وصفنا تقنية nanomoulding الذي يسمح منخفضة التكلفة الزخرفة النانومترية الحجم من المواد الفنية، مداخن المواد والأجهزة كاملة. لا يمكن أن يؤديها على أي Nanomoulding الإعداد nanoimprinting ويمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من المواد والعمليات الترسيب.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
Nanomoulding من مواد وظيفية، تنوعا النسخ المتماثل خطة التكميلية طريقة لNanoimprinting
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
وصفنا تقنية nanomoulding الذي يسمح منخفضة التكلفة الزخرفة النانومترية الحجم من المواد الفنية، مداخن المواد والأجهزة كاملة. Nanomoulding جنبا إلى جنب مع نقل طبقة تمكن تكرار أنماط سطح التعسفي من هيكل الرئيسي على المواد الفنية. لا يمكن أن يؤديها على أي Nanomoulding الإعداد nanoimprinting ويمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من المواد والعمليات الترسيب. ولا سيما أننا تدليل على تصنيع أقطاب شفافة منقوشة أكسيد الزنك للضوء تطبيقات في الخلايا الشمسية محاصرة.
المقدمة
وقد اكتسب أهمية كبيرة Nanopatterning في العديد من مجالات تكنولوجيا النانو والعلوم التطبيقية. الجيل نمط هي الخطوة الأولى ويمكن أن أنجزه من أعلى إلى أسفل النهج مثل شعاع الإلكترون الطباعة الحجرية أو نهج من أسفل إلى أعلى على أساس التجميع الذاتي أساليب مثل الطباعة الحجرية أو كتلة كوبوليمر nanosphere الطباعة الحجرية 1. أهمية عن الجيل هو نمط تكرار النمط. إلى جانب ضوئيه، برزت nanoimprinting (الشكل 1) كبديل واعد بشكل خاص مناسبة لتنميط منطقة واسعة عالية الإنتاجية النانو بتكلفة منخفضة 2-4. في حين يتطلب ضوئيه قناع نمط، nanoimprinting تعتمد على بنية رئيسية الجاهزة. عادة يتم تنفيذ نقل نمط من سيد إلى بالحرارة أو بوليمر قابل للشفاء أو للأشعة فوق البنفسجية حراريا. ولكن هناك العديد من الحالات، حيث يكون من المرغوب فيه نمط نقل مباشرة على مادة وظيفية.
<ف الطبقة = "jove_content"> نحن هنا وصف طريقة النسخ المتماثل يعتمد على nanomoulding وطبقة نقل (الشكل 2) الذي قدمنا مؤخرا في المرجع. 5 إلى نقل أنماط وظيفية النانو على أقطاب أكسيد الزنك. ويمكن لدينا طريقة تنفيذها بسهولة nanomoulding إذا كان الإعداد nanoimprinting هو متاح. Nanomoulding يقدم القدرة على أن تكون تعميمها على العديد من المواد الفنية الأخرى، مداخن المواد والأجهزة كاملة حتى، شريطة أن يتم اختيار المواد العفن بحيث يكون متوافقا مع عملية ترسب المواد (ES). وكمثال على ذلك نقدم هنا nanomoulding من الأقطاب الكهربائية الشفافة موصلة الزنك (أكسيد الزنك) أكسيد أودعتها ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) التي تجد تطبيقها لتعزيز احتباس الضوء في الخلايا الشمسية 5.الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. قوالب التصنيع
نستخدم الإعداد لدينا nanoimprinting محلي الصنع لتصنيع المرجع العفن السلبية التالية. 6، ولكن أي بديل nanoimprinting الإعداد سوف تعمل بشكل جيد. وبدلا من ذلك قد يكون functionalized polydimethylsiloxane (PDMS) قالب العمل أيضا.
- افتعال أو شراء ماجستير مناسبة تحمل نمط النانو التي يتم نقلها. من حيث المبدأ، فإن أي مناسبة للماجستير nanoimprinting قيام بهذه المهمة. نستخدم طبقة أكسيد الزنك محكم على ورقة الزجاج (شوت، AF32 البيئية، و 41 مم × 41 مم × 0.5 مم) كما هو موضح المودعة في 3.1 كهيكل الرئيسي لتوضيح الأسلوب.
- تطبيق طبقة مضادة للالتصاق على الهيكل الرئيسي كما هو موضح في 2.
- تنظيف البولي ايثيلين naphtalate (PEN) ورقة (Goodfellow، 82 ملم × 41 ملم × 0،125 ملم) الأسيتون في حمام بالموجات فوق الصوتية لمدة 2 دقيقة ثم وحمام الموجات فوق الصوتية لالأيزوبروبانول 2 أكثر دقيقة. شطف مرة أخرى مع الأيزوبروبانول وضربة الجافة مع النيتروجين.
- الودائع باءت بالفشل الكروم طبقة الالتصاق (نيو مكسيكو 5-10) على ورقة PEN.
- تدور معطف الراتنج UV-قابل للشفاء (Microresist، Ormocer، 1-2 مل) على ورقة PEN في 5،000 دورة في الدقيقة للحصول على تغطية موحدة.
- إجراء prebake لمدة 5 دقائق على طبق ساخن في 80 ° C لتتبخر المذيبات، وتحسين التوحيد فيلم والتصاق إلى ورقة PEN.
- استخدام الإعداد nanoimprinting للقضاء نمط ماجستير في راتنج UV-قابل للشفاء. وإن لم يكن إلزاميا، ونحن أداء ختم تحت التفريغ لمنع فقاعة الادراج عن طريق تطبيق الضغط متجانسة من 1 بار على غشاء السيليكون المرنة. في الإعداد لدينا، غشاء السيليكون يفصل فراغ الغرفة إلى قسمين شبه مقصورات. يتم إنشاء ضغط من قبل التنفيس المقصورة العليا، في حين أن أقل مقصورة خاضعا فراغ. التنفيس يدفع الغشاء مرونة تجاه أسفل بدء ختم.
- كشف الراتنج لضوء الأشعة فوق البنفسجية لاستفزاز رد فعل عبر ربط من الراتنج. نحن نطبق ضوء معتدلكثافة تبلغ 1.4 ميغاواط / سم 2 في طول موجة من 365 نانومتر التي تقدمها العديد من المصابيح. زمن التعرض من خلال ورقة PEN هو عادة 15-20 دقيقة.
- demould بعناية من قبل تقشير يدويا العفن قبالة الهيكل الرئيسي.
- كما قد تخضع انكماش طفيف الراتنج خلال ترسب المواد الفنية، مما قد يؤدي إلى تقشير عفوية، ونحن إجراء خفيفة خبز آخر الحراري عند 150 ° C خلال 6-8 ساعة في الفرن مع الجو المحيط قبل مزيد من المعالجة.
2. المضادة للالتصاق طبقة
لديمولدنغ ناجحة، يجب أن تتكيف طبقة مضادة للالتصاق على المواد وخشونة النمط. أنماط الخام منخفضة عموما تتطلب معاملات شائكة. قد يتمسك معاملات منخفضة على نحو سلس يؤدي إلى أنماط تقشير المواد الفنية من العفن. قد عالية معاملات شائكة على أنماط الخام يؤدي إلى تقشير من الراتنج ورقة من خلال تلفيق PEN العفن كما adherenم من الراتنج لربان أقوى.
- معطف القالب (أو الماجستير) مع الكروم باءت بالفشل طبقة (نيو مكسيكو 5-10) لتعزيز التصاق وكيل المضادة للالتصاق. لأنماط سلس نسقط هذه الخطوة. في بعض الحالات قد طبقة الكروم منع عامل مضاد للالتصاق لحفر هيكل الرئيسي لل.
- تطبيق قطرة صغيرة المضادة للالتصاق عامل (سيغما الدريخ، (1H، 1H، 2H، 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) على شريحة زجاجية. وضع شريحة زجاجية مع العفن في غرفة ضخ فراغ وأسفل. وكيل وسوف المضادة للالتصاق تتبخر وإيداع وأحادي الطبقة الجزيئية على العفن.
- ترسيخ عامل مضاد للالتصاق عبر الصلب خلال 1-2 ساعة في 80 ° C.
3. ترسب المواد
نبين هنا تقنيات ترسب 3 ترسب المواد المناسبة لللتوضيح براعة nanomoulding. ويمكن أيضا تقنيات أخرى أن تطبق ترسب. المثال الثالث يصف كرة القدمbrication من خلية كاملة السيليكون الرقيقة الشمسية.
- ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) من أكسيد الزنك: ضع القالب على طبق التدفئة للمفاعل CVD يسخن إلى 180 درجة مئوية. استخدام إطار معدني لتجنب ثني من العفن PEN خلال ترسب أكسيد الزنك. إغلاق المفاعل، والسماح بضخ أسفل thermalization. أعترف الغازات السلائف (H 2 O و (C 2 H 5) الزنك 2). وبالإضافة إلى ذلك فإننا جرعة كميات صغيرة من B 2 H 6 لتعاطي المنشطات. سمك طبقة أكسيد الزنك تتناسب مع الوقت ترسب. نستخدم طبقة أكسيد الزنك سمك عادة 1-5 ميكرون. ويمكن الاطلاع على تفاصيل عن ترسبات المعلمات نموذجية في المرجع 7
- المادية بخار ترسب (PVD) / الاخرق من الفضة: ضعي القالب في النظام PVD. إغلاق نظام ضخ وأسفل. أعترف غاز الأرجون العملية. تشغيل المولد DC. سمك طبقة حج مرة أخرى تتناسب مع الوقت ترسب. نستخدم حج طبقة سمك 1 ميكرومتر عادة. ترسب نموذجية فarameters هي الضغط من الأرجون 5.5x10 ميليبار -3 وقوة الإعداد DC محددة من 250 W مما أسفر عن معدل ترسب حوالي 45 نانومتر / ثانية.
- البلازما محسنة ترسيب الأبخرة الكيميائية (PE-CVD): ودائع أكسيد الزنك كما في 3.1). وضع القالب في مفاعل CVD PE-يسخن إلى 200 درجة مئوية. إغلاق المفاعل، والسماح بضخ أسفل thermalization. أعترف الغازات السلائف (SIH 4 و H 2). وبالإضافة إلى ذلك فإننا جرعة كميات صغيرة من B (CH 3) 3 وPH 3 إلى تحقيق-p و N-نوع المنشطات على التوالي. لزيادة الجهد فتح دائرة من الخلايا الشمسية، ونحن أيضا استخدام كميات صغيرة من CH 4 و CO 2 لطبقات مخدر. بعد ترسب المكدس دبوس السيليكون الخلايا الشمسية غير متبلور، ونحن إيداع backcontact أكسيد الزنك كما هو موضح في 3.1.
- تجنب الانحناء المفرط من العفن، والانحناء قد يسبب تقشير طبقة المودعة.
4. طبقة النقل
نستخدم الزجاجالشرائح S (شوت AF32 البيئية، و 41 مم × 41 مم × 0.5 مم) والركيزة النهائية. ولكن يمكن استخدامها ركائز أخرى، بما في ذلك رقائق معدنية أو صفائح البوليمر، وبدلا من ذلك.
- الشرائح الزجاجية النظيفة مع الأسيتون والأيزوبروبانول وضربة الجافة مع النيتروجين.
- تدور معطف UV-شفاء الراتنج (Microresist، Ormocer، 1-2 مل) على شريحة زجاجية في 5،000 دورة في الدقيقة.
- استخدام الإعداد nanoimprinting لارساء القالب تحمل طبقات أودعت على الركيزة النهائية. أما بالنسبة للختم، ونحن أداء ترسيخ تحت الفراغ عن طريق تطبيق الضغط متجانسة من 1 بار.
- كشف الراتنج لضوء الأشعة فوق البنفسجية لاستفزاز رد فعل عبر ربط. نحن نطبق كثافة معتدلة من 1.4 ميغاواط / سم 2 في طول موجة من 365 نانومتر التي تقدمها العديد من المصابيح. زمن التعرض من خلال شريحة زجاجية دقيقة 1-3 هو فقط بسبب انتقال العليا UV من الزجاج مقارنة PEN.
- Demould بواسطة تقشير يدويا العفن خارج الشريحة الزجاجية.
5. عينة توصيف
- استخدام المفضلة لديك المورفولوجية، تقنية الكهربائية أو الضوئية لتوصيف العينات nanomoulded. نحن هنا وصف عينات لدينا nanomoulded باستخدام المجهر الإلكتروني (SEM) ومجهر القوة الذرية (AFM).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
يلخص الشكل 3 بعض الأمثلة التوضيحية من الهياكل nanomoulded. ويرد هيكل الرئيسي أكسيد الزنك نما بنسبة CVD على الزجاج في (أ). يظهر المقابلة nanomoulded أكسيد الزنك المقلدة في (د). مقارنة بين ارتفاع المحلية (ز) والزاوية (ي) المدرج الاحصائي المستخرجة من الصور AFM تكشف عن الدقة العالية لعملية nanomoulding. وتظهر نتائج مماثلة لصريف أحادية البعد ملفقة من قبل الطباعة الحجرية تدخل (ب، ه، ح، ك) والألمنيوم بمادة anodically (ج، و، ط، ل).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
Nanomoulding تسمح بنقل nanopatterns على المواد الفنية التعسفي. مقارنة بين خطوات المعالجة الفردية في الشكل 1 و 2 يكشف عن علاقة وثيقة بين nanomoulding وnanoimprinting. والفرق الرئيسي بين nanomoulding وnanoimprinting هو ترسب مواد إضافية خطوة في 2E الشكل. تدفق العملية المتبقية هي متطابقة. وبالتالي، يمكن أن يؤديها Nanomoulding على أي الإعداد nanoimprinting المتاحة.
شر...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
الكتاب أشكر M. وبوف للحصول على المساعدة لي مع AFM W.، للماجستير الألمنيوم بمادة anodically والطاقة مكتب السويسرية الاتحادية ومؤسسة العلوم الوطنية السويسرية للحصول على التمويل. وأجريت جزءا من هذا العمل في إطار مشروع FP7 "المسار السريع" الذي تموله المفوضية الأوروبية في إطار اتفاقية منحة لا 283501.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| اسم الكاشف | شركة | كتالوج رقم | التعليقات (اختياري) |
| Nanoimprinting الراتنج | Microresist | Ormostamp | |
| (1H، 1H، 2H، 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane، وكيل المضادة للالتصاق | سيغما الدريتش | 448931-10G | |
| الزجاج الشرائح | شوت | AF32 البيئية | 0.5 مم |
| البولي ايثيلين naphtalate (PEN) ورقة | Goodfellow | ES361090 | 0،125 مم |
| (C 2 H 5) 2 الزنك | أكزو نوبل | ||
| AG تفل الهدف 4N | هيراوس | 81062165 | |
| B 2 H 6، SIH 4، H 2، B (CH 3) 3، PH 3، CH 4، CO 2 | ميسير | ||
| EQUIPMENT | |||
| Nanoimprinting النظام | محلي الصنع | ||
| LP-CVD النظام | محلي الصنع | ||
| PVD النظام | هيرافوس | Univex 450 B | |
| PE-CVD مفاعل | Indeotec | الأخطبوط I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | آلات رقمية | Nanoscope 3100 |
المراجع
- Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
- Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
- Ahn, S. H., Guo, L. J. Large-Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: A Step toward High-Throughput. Application of Continuous Nanoimprinting. ACS Nano. 3 (8), 2304-2310 (2009).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells. Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).
- Escarré, J., Söderström, K., et al. High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications. Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).
- Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).
- Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
- Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
- Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
- Escarré, J., Nicolay, S., et al. Nanomoulded front ZnO contacts for thin film silicon solar cell applications. Proceedings of the 27th EU-PVSEC, Frankfurt, , (2012).
- Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass. Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
