مقالة منهجية

الزخرفة عبر البصرية تشبع انتقالات - تصنيع وتوصيف

DOI:

10.3791/52449

⸱

ديسمبر 11, 2014

 ,  , 
1Department of Electrical and Computer Engineering, The University of Utah, 2Department of Chemistry, The University of Wisconsin-Madison

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نبلغ أنه يمكن التغلب على حد الحيود للطباعة الحجرية البصرية التقليدية من خلال استغلال انتقالات المشتقات العضوية الضوئية الناتجة عن الأيزومرة الضوئية عند شدة الإضاءة المنخفضة. 1-3 توضح هذه الورقة تقنية التصنيع لدينا وآليتين للقفل ، وهما: إذابة أيزومر ضوئي واحد والأكسدة الكهروكيميائية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يصف هذا البروتوكول تصنيع وتوصيف الهياكل النانوية باستخدام تقنية حجرية نانوية جديدة تسمى الزخرفة عبر التحولات الضوئية القابلة للتشبع (POST). في هذه التقنية ، يتم استغلال الخصائص الكيميائية للجزيئات العضوية الفوتوكرومية التي تخضع لتفاعلات فوتون واحد ، مما يتيح النمط النانوي السريع من أعلى إلى أسفل على مساحات كبيرة بكثافة إضاءة منخفضة ، مما يسمح بالتحايل على حاجز حيود المجال البعيد. 4 يتم استكشاف بدائل بسيطة وفعالة من حيث التكلفة وعالية الإنتاجية والدقة للنقوش النانوية ، مثل بلمرة الفوتونالثنائي 5،6 ، والطباعة الحجرية لقلم الحزمة (BPL) 7 ، والطباعة الحجرية لشعاع الإلكترون الماسح (SEBL) ، ونمذجة الحزمة الأيونية المركزة (FIB). ومع ذلك ، تتطلب الأساليب متعددة الفوتون كثافة إضاءة عالية ، مما يحد من قدرتها على إنتاجية عالية وتوفر تباينا منخفضا في الصورة. على الرغم من أن العمليات الحجرية لشعاع الإلكترون والأيونات توفر دقة متزايدة ، إلا أن الطبيعة التسلسلية للعملية تقتصر على سرعات الكتابة البطيئة ، مما يمنع أيضا زخرفة الميزات على مساحات كبيرة. الطباعة الحجرية بالقلم الشعاعي هي نهج نحو الطباعة الحجرية البصرية المتوازية قريبة المجال. ومع ذلك ، فإن الفجوة بين مصدر الحزمة وسطح المقاومة الضوئية تحتاج إلى التحكم فيها بدقة شديدة من أجل توحيد النمط الجيد وهذا أمر صعب للغاية لتحقيقه بالنسبة للمصفوفات الكبيرة من الحزم. الزخرفة عبر التحولات البصرية القابلة للتشبع (POST) هي تقنية نانوية بصرية بديلة لتصميم ميزات الطول الموجي الفرعي1-3. نظرا لأن هذه التقنية تستخدم فوتونات مفردة بدلا من الإلكترونات ، فهي سريعة للغاية ولا تتطلب شدة إضاءة عاليةمن 1 إلى 3 ، مما يفتح الباب أمام التوازي الهائل.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطباعة الحجرية الضوئية هي ذات أهمية رئيسية في تصنيع هياكل النانو والأجهزة. زيادة التقدم في تقنيات الطباعة الحجرية رواية لديه القدرة على تمكين أجيال جديدة من الأجهزة الجديدة. 8-11 في هذه المقالة، ويقدم استعراضا لفئة من تقنيات الطباعة الحجرية الضوئية التي تحقق العميق الدقة الطول الموجي الفرعية باستخدام جزيئات photoswitchable الرواية. ويسمى هذا النهج الزخرفة عبر والبصرية تشبع التحولات (POST). 1-3

المنصب هو تقنية جديدة nanofabrication يجمع بشكل فريد أفكار تشبع التحولات البصرية من الجزيئات الضوئية، وتحديدا (1،2 مكرر (5،5'-ثنائي ميثيل-2،2'-bithiophen-يل)) perfluorocyclopent-1-الشم. بالعامية، ويشار إلى هذا المركب كما BTE، الشكل 1، مثل تلك المستخدمة في الانبعاث المستحث استنفاد (STED) المجهري 12، مع الطباعة الحجرية تشويش مما يجعلها أداة قوية لارجمنطقة الإلكترونية nanopatterning موازية من الميزات subwavelength عميقة على مجموعة متنوعة من الأسطح مع تمديد محتمل ل2- و 3 أبعاد.

طبقة الضوئية هي دولة متجانسة أصلا في واحدة. عندما يتعرض هذه الطبقة إلى الإضاءة موحدة من λ 1، فإنه يتحول لدولة ايزوميريا الثانية (1C)، الشكل 2. ثم يتعرض العينة إلى عقدة مركزة في λ 2، والذي يحول العينة إلى أول دولة ايزوميريا ( 1O) في كل مكان ما عدا في محيط القريب من العقدة. من خلال التحكم في جرعة التعرض، وحجم المنطقة غير محول يجوز صغيرة بشكل تعسفي. والخطوة اللاحقة تحديد واحد من ايزومرات يمكن بشكل انتقائي وبشكل لا رجعة فيه تحويل (مغلق) إلى دولة 3 الثالثة (باللون الأسود) لقفل النمط. وبعد ذلك، تتعرض طبقة موحد على λ 1، والذي يحول كل شيء ما عدا منطقة مغلقة يعود إلى حالته الأصلية. السلسلة من الخطوات يمكن ان تتكرر مع تشريد عينة المتعلقة البصريات، مما أدى إلى منطقتين مقفل التي تباعد أصغر من الحد حيود بعيدة الميدان. لذلك، قد يكون نمط أي هندسة التعسفية في "نقطية" الموضة. 1-3

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ملاحظة: تنفيذ كافة الخطوات التالية تحت الطبقة غرف الأبحاث 100 شروط أو أفضل.

التحضير 1. عينة

  1. تنظيف رقاقة السيليكون 2 "مع قطر التخزين المؤقت أكسيد حفر (البنك المركزي البريطاني) الحل (6 أجزاء 40٪ NH 4 F و 1 جزء 49٪ HF) لمدة 2 دقيقة (تنبيه: المواد الكيميائية الخطرة). اختيار هذا الوقت حفر لإزالة أي ملوثات العضوية أو على السطح. شطف مع منزوع الأيونات (DI) الماء لمدة حوالي 5 دقائق. رقاقة الجاف مع N الجاف 2.
    ملاحظة: أبدا العمل وحدها عند استخدام HF. ترتدي دائما حماية العين مع درع الوجه ومعدات الوقاية الشخصية (PPE) في حالة انسكاب. المبادئ التوجيهية آخر لاستخدام والتعامل مع النفايات HF في المختبر حيث يتم تنفيذ الحفر.
    ملاحظة: الخطوات 1،2-1،7 هي للقفل الكهروكيميائية فقط. إذا كان أداء تأمين طريق حل انتقل إلى الخطوة 2.
  2. لوضع القطب العمل، تفل 100 نيوتن متر من البلاتين (حزب العمال) على نظيفة 2 "قطر silicعلى رقاقة.
  3. قبل الحفر الفيلم البلاتين رقيقة، وتنظيف غرفة RIE من أي شوائب أو مقاومة للضوء بقايا من يحفر الجافة السابقة.
  4. ضخ أسفل غرفة حتى ضغط قاعدة 1 × 10 -5 ويتحقق عربة. تأكد من أن يتم تعيين سلطة RF إلى 200 W، ومن المقرر أن معدلات التدفق لالأكسجين والأرجون إلى 50 SCCM و 10 SCCM على التوالي. إشعال البلازما عار / O 2 وتشغيل لا يقل عن 1 ساعة.
  5. إيقاف البلازما عار / O 2 والسماح للغرفة تنفيس لحوالي 10 دقيقة.
  6. لحفر البلاتين سطح طبقة رقيقة، تحميل العينة في غرفة RIE وضخ الغرفة وصولا الى ضغط قاعدة 1 × 10 -5 عربة. هذه المرة ضبط معدل تدفق الأرجون ل0 SCCM. إشعال البلازما O 2 والسماح هذه العملية تعمل لمدة 30 دقيقة.
  7. إيقاف البلازما O 2 والسماح للغرفة تنفيس لمدة 10 دقيقة.

2. التبخر الحراري للاللونية الجزيئة عن طريق مخصص Lآه المبخر درجة الحرارة (LTE)

  1. شغل ألو 2 قارب مع 30 ملغ من BTE وتحميل إلى مصدر LTE مخصصة (الشكل 6).
  2. تحميل رقاقة السيليكون في عينة جبل.
  3. الموانئ غرفة ختم وغرفة المضخة وصولا الى ضغط قاعدة 1 × 10 -6 عربة.
  4. تتبخر BTE في درجة الحرارة المضبوطة مسبقا من 100 درجة مئوية، مع سماكة الفيلم من 30 نانومتر.
  5. مباشرة بعد التبخر والفيضانات تسليط الضوء على عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية لتحويل المواد BTE إلى النموذج مغلقة، 1C.
  6. من أجل تحديد حجم العينة، يلتصق قطعة صغيرة من الرقاقة باستخدام الكاتب الماس الى نقطة الصفر خط من على حافة سطح السيليكون. انتزاع الرقاقة على جانبي خط الصفر وثني رقاقة نزولا حتى وقوعه على طول الطائرة وضوح الشمس.
  7. أداء قياسات profilometer للتحقق من صحة BTE سماكة رقيقة. للقيام بذلك، خدش العينة باستخدام غرامة حافة ملاقط. قياس ارتفاع خطوة جيئة وذهابام هذا الصفر، وهذا هو الفرق في الارتفاع بين الحق وموضع المؤشر الأيسر.
    ملاحظة: أخطاء في سماكة الفيلم يؤدي إلى اختلافات في جرعة التعرض.
  8. متجر المتبقية العينة في N 2 شغل في صندوق قفازات.

3. التعرض

ملاحظة: إجراء كل التعرضات في ظل ظروف الجو الخاملة لمنع تدهور العينة.

  1. يلتصق العينة باتباع نفس الإجراء على النحو المبين في الخطوة 2.6.
  2. عينة الحمل في خامل صاحب العينة الغلاف الجوي.
  3. جبل خامل صاحب العينة على خشبة المسرح. عينة تطهير مع N 2.
  4. فضح العينة إلى وقت التعرض المطلوب باستخدام تداخل، مثل واحد هو مبين في الشكل (8).

4. الكهروكيميائية أكسدة عن طريق ثلاثة الكهربائي الخلية

ملاحظة: إجراء الكيمياء الكهربائية في ظل ظروف الجو الخاملة لمنع تدهور العينة.

  1. المشبك قارورة زجاجية نظيفة على الجزء العلوي من لوحة الساخنة. وضع شريط التحريك نظيفة في القارورة. بدوره على النمام.
  2. تنظيف مقطع النحاس جديد مع الميثانول. تنظيف الكهربائي البلاتين مواجهة مع الميثانول.
  3. باستخدام مشبك النحاس نظيفة، مقطع العينة من خلال واحدة من الثقوب في الحد الأقصى تفلون قارورة. تأكد من مقطع على البلاتين تتعرض فقط.
  4. وضع غطاء القارورة تفلون على القارورة. مقطع الرصاص الأحمر على القطب البلاتين المضاد والرصاص الأسود على مقطع النحاس عقد العينة.
  5. باستخدام حقنة نظيفة، وملء قارورة مع منزوع الأيونات تصفيتها (DI) المياه من خلال ثقب الثاني في الحد الأقصى تفلون قارورة. ملء تصل إلى دون تخبط أي من البلاتين عارية على العينة.
  6. النيتروجين فقاعة في الماء لمدة 3-5 دقيقة. إيقاف النيتروجين.
  7. وضع القطب المرجعية في حفرة الثاني في الحد الأقصى تفلون قارورة. مقطع الرصاص الأبيض على القطب المرجعية. تحقق للتأكد أي متأكدا من البلاتين عارية سن ومغمورة العينة.
  8. باستخدام voltammograph، تعيين الأكسدة الجهد إلى 0.5 V / ثانية.
  9. بعد انقضاء الوقت الأكسدة المطلوب، وتحويل الطاقة إلى voltammograph قبالة.
  10. إزالة مقاطع الأحمر والأسود، والأبيض من العداد الكهربائي البلاتين، مقطع النحاس، والقطب المرجعية.
  11. فضح عينة للأشعة فوق البنفسجية لمدة 5 دقائق.

5. تطوير نموذج - الكهروكيميائية قفل

ملاحظة: تنفيذ التنمية في ظل جو الخاملة لمنع تدهور العينة.

  1. تطوير العينة في المصفاة (5٪ بالوزن) الأيزوبروبانول، 95 (٪ بالوزن) جلايكول الإثيلين للمبلغ المطلوب من الوقت. ملاحظة: يتم تطوير عادة 50 نانومتر عينات لمدة 30-60 ثانية بينما يتم تطوير 80 نانومتر عينات ل60-180 ثانية.
  2. عينة الجافة مع N الجاف 2.
  3. فضح فورا عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية.

6. عينة التنمية - حل قفل

ملاحظة: تنفيذ التنمية في ظل جو الخاملة لمنع تدهور العينة.

  1. باستخدام 100 مل من جلايكول الإثيلين في كوب زجاجي نظيف وتطوير العينة المعرضة للمرة التنمية المنشودة.
  2. عينة الجافة مع N الجاف 2. فضح فورا عينة لمدة 5 دقائق من الأشعة فوق البنفسجية.

7. التعرض لأخطار متعددة

  1. إذا كان أداء التعرض لأخطار متعددة كرر الخطوات من 3-6 مع ترجمة للعينة المتعلقة البصريات.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

عينات ملفقة:

تميزت مرات الأكسدة المختلفة كما يتضح من الميكروسكوب الذرية القوة في الشكل 3 في الجهد أكسدة 0.85 V تحديده من voltammetry دوري. تعرضت الأفلام 50 نانومتر سميكة لموجة دائمة في λ = 647 نيوتن متر من الفترة 400 نانومتر لمدة 60 ثانية في كثافة الطاقة من 0.95 ميغاواط / سم 2. كما يتم زيادة الوقت أكسدة من 10 دقيقة إلى 25 دقيقة، ويمكن للمرء أن يرى بوضوح فقدان النقيض من...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تم وصف التصنيع والإعداد التجريبي والإجراءات التشغيلية ذات الصلة للزخرفة عبر التحولات البصرية المشبعة (POST). من خلال استغلال خصائص التبديل الخطي للجزيئات الفوتوكرومية المستقرة حراريا ، تقدم POST وجهات نظر جديدة حول التحايل على حد حيود المجال البعيد. 1-2,4

تم حل متطلبات التخزين طويلة الأجل للعينات سابقا عن طريق تخزين العينات تحت N2 ، مباشرة بعد التبخر الأولي. 2 ومع ذلك ، فإن خشونة حافة الخط الكبيرة الواضحة في حواجز شبكية ، الشكلان 3 و 5<...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

شكرا لمايكل كنوتسون وبول هامريك وجريج سكوت وكريس لاندز على المناقشات المفيدة والمساعدة المتعلقة بحامل عينة الغلاف الجوي الخامل المخصص والمساعدة في متجر ماكينات الطلاب بجامعة يوتا. يعترف PC ب NSF GRFP بموجب المنحة رقم 0750758. يعترف PC بزمالة تدريب تكنولوجيا النانو بجامعة يوتا. يعترف RM بجائزة NSF CAREER رقم 1054899 والتمويل من مبادرة USTAR.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
الأيزوبروبانولفيشر ScientificP / 7500/15تنبيه: قابل للاشتعال ، استخدم تهوية جيدة وتجنب جميع مصادر الاشتعال.
أكسيد المخزن حفر
الميثانولريكا الكيميائية48-293-2  تنبيه: قابل للاشتعال ، استخدم تهوية جيدة وتجنب جميع مصادر الاشتعال.
الإيثيلين جلايكولسيجما ألدريتش324558تنبيه: ضار إذا ابتلع
رقاقة
الماس الكاتب
الملقطتيد بيلا5226
نظام النقش الأيوني التفاعليأكسفوردبلازما لاب 80 بلس
خامل حامل عينة الغلاف الجويمملوك
مصمم مكعب شعاع مستقطبThorlabsPBS052
HeNe LaserMelles Griot25-LHP-171تنبيه: ارتد نظارات السلامة
ألواح نصف موجةThorlabsWPH05M-633
المبخر الحراريمصمم داخليا
TMV منتجات الفراغ سوبرTMVسوبر
فولتاموغرافأنظمة التحليل الحيويCV-37
مصباح الأشعة فوق البنفسجية قصير الموجة 365   ؛ nmUVP Analytik Jena CompanyUVGL-25تحذير: ارتد نظارات السلامة للأشعة فوق البنفسجية
السيليكون زجاج داخليا

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Brimhall, N., Andrew, T. L., Manthena, R. V., Menon, R. Breaking the far-field diffraction limit in optical nanopatterning via repeated photochemical and electrochemical transitions in photochromic molecules. Physical Review Letters. 107 (20), 205501(2011).
  2. Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning of photochromic diaryethene films. Applied Physics Letters. 100 (18), 183103(2012).
  3. Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Nanopatterning of diarylethene films via selective dissolution of one photoisomer. Applied Physics Letters. 103 (17), 173112(2013).
  4. Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
  5. Li, L., et al. Achieving λ/20 resolution by one-color initiation and deactivation of polymerization. Science. 324 (5929), 910-913 (2009).
  6. Fischer, J., von Freymann, G., Wegener, M. The materials challenge in diffraction-unlimited direct-laser-writing optical lithography. Advanced Materials. 22 (32), 3578-3582 (2010).
  7. Mirkin, C. A., et al. Beam pen lithography. Nature Nanotechnology. 5, 637-640 (2010).
  8. Xie, X., et al. Manipulating spatial light fields for micro- and nano-photonics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 44, 1109-1126 (2012).
  9. Leroy, J., et al. High-speed metal-insulator transition in vanadium dioxide films induced by an electrical pulsed voltage over nano-gap electrodes. Applied Physics Letters. 100 (21), 213507(2012).
  10. Carr, D., Sekaric, L., Craighead, H. Measurement of nanomechanical resonant structures in single-crystal silicon. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3821-3824 (1998).
  11. Wilhelmi, O., et al. Rapid prototyping of nanostructured materials with a focused ion beam. Japanese Journal of Applied Physics. 47 (6), 2010-5014 (2008).
  12. Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
  13. Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 14, 4129(1996).
  14. Guillemette, M. D., et al. Surface topography induces 3D self-orientation of cells and extracellular matrix resulting in improved tissue function. Integrative Biology. 1 (2), 196-204 (2009).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة