تصنيع صفائف الدوري نانوكوب الذهب باستخدام الطباعة الحجرية غرواني

الهدف العام من هذا الإجراء هو تصنيع وتوصيف مصفوفات دورية من الأكواب النانوية الذهبية باستخدام تقنية منخفضة التكلفة وبسيطة تسمى الليثوغرافيا الغروية. تمتلك الأكواب النانوية الذهبية أو القشور النانوية خصائص بصرية فريدة وجدت تطبيقات لها في مجالات مثل البصريات غير الخطية، والمواد الميتا-مادية، والاستشعار الكيميائي. ستتعلم في هذا الفيديو كيفية تصنيع أغشية مصفوفات بلازمونية نانوية مرنة وشفافة باستخدام تقنية منخفضة التكلفة تعتمد على التجميع الذاتي لكرات بولي ستيرين نانوية أحادية التشتت للغاية.

تتميز هذه الطريقة بميزة القابلية للتوسع مقارنة بالعمليات التسلسلية مثل lithography EUV. وتجد هذه الأغشية، المكونة من مصفوفات دورية من الأكواب النانوية أو القشور النانوية الذهبية، تطبيقات تتراوح بين الاستشعار الكيميائي، ومؤشرات كشف التلاعب، والخلايا الكهروضوئية. علاوة على ذلك، من السهل ضبط رنين البلازمون لهذه الأغشية من النطاق المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة اعتماداً على التطبيق المطلوب.

سيصف هذا الفيديو طريقة تصنيع مصفوفات الأكواب النانوية الذهبية على ركيزة سيليكون تضحية، والتوصيف البصري للهياكل الناتجة، ونقل الأغشية إلى فيلم لاصق شفاف. أولاً، ضع عدة رقائق سيليكون في حامل كوارتز للتنظيف بالبلازما؛ حيث يضمن ذلك الحصول على سطح نظيف ومحب للماء، وهو أمر ضروري للتجميع الذاتي للكرات النانوية البوليمرية.

بعد ذلك، ضع الحامل الكوارتزي في نظام البلازما وابدأ عملية تفريغ الهواء. تم تكوين النظام لإجراء تنظيف ببلازما الأكسجين بقدرة 250 watt لمدة 15 دقيقة وبمعدل تدفق قدره 30 SCCM من الأكسجين. وأثناء عملية تنظيف رقائق السيليكون بالبلازما، أخرج محلول الكرات النانوية من البوليسترين من الثلاجة واتركها حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة.

للمساعدة في ضمان تجانس المحلول، قم بمزج المحلول بواسطة جهاز الفورتكس لفترة وجيزة لمدة دقيقة واحدة. بعد ذلك، قم بمعالجة المحلول بالموجات فوق الصوتية لمدة دقيقة واحدة. ومن أجل الحصول على طبقة أحادية أثناء عملية الطلاء الدوراني، يكون من الضروري عمومًا تخفيف محلول الكرات النانوية المركز بتركيز 10% وزني.

للقيام بذلك، نستخدم مياهًا نظيفة عالية النقاء لتخفيف محلول الكرات النانوية (nanosphere) لتصل نسبة المواد الصلبة فيها إلى 5% وزنيًا. يتم إخراج رقائق السيليكون النظيفة من نظام البلازما وفحصها للتأكد من خلوها من أي ملوثات مثل الغبار أو الرواسب العضوية. إذا كانت الرقيقة مقبولة، يتم تثبيتها في مركز جهاز الطلاء الدوراني (spin coater) ثم يتم تفعيل الفراغ.

بعد ذلك، اضبط جهاز الطلاء الدوراني (spin coater) على السرعة والتسارع ووقت الدوران المناسبين. وتختلف هذه الإعدادات بناءً على حجم وتركيز الكرات النانوية من البوليسترين المستخدمة. في هذه الحالة، اضبط جهاز الطلاء الدوراني على 3,000 rpm و 2,000 rpm في الثانية لمدة دقيقة واحدة لإنتاج تغطية أحادية الطبقة.

خذ محلولاً مخففاً من الكرات النانوية وباستخدام حقنة بلاستيكية، اسحب حوالي 1 mL من محلول الكرات النانوية. ثم قم بتثبيت مرشح بحجم 5 ميكرون على طرف الحقنة. سيساعد ذلك في إزالة أي تكتلات من شأنها أن تؤثر سلباً على جودة الغشاء ذاتي التجميع.

أمسك بالحقنة فوق جهاز الطلاء الدوراني وأنزِل المكبس حتى تسقط قطرة من محلول الكرات النانوية. ثم، وبحركة انسيابية، صبّ كمية كافية من المحلول في مركز الرقاقة حتى يتم تغطية ما يقرب من 2/3 من مساحة الرقاقة. أغلق الغطاء وابدأ دورة الدوران.

انتظر حتى تكتمل دورة الدوران، ثم حرر الفراغ، وافتح الغطاء، وأخرج الرقاقة. امسح الجزء الداخلي من جهاز الطلاء الدوراني، مع التأكد من إزالة أي محلول زائد من الكرات النانوية. قبل المتابعة، من الضروري تقييم جودة الفيلم المصبوب دورانياً.

أولاً، يمكننا الفحص بالعين المجردة للبحث عن أي عيوب ناتجة عن فقاعات الهواء، أو الغبار، أو التكتلات. ثم يمكننا استخدام المجهر الضوئي لتقييم جودة الغشاء بشكل أكبر. وبعد تشغيل مصدر الضوء ووضع العينة تحت العدسة الشيئية، يمكننا تقييم جودة الغشاء بوضوح، بما في ذلك تكوين الطبقات المتعددة، أو العيوب، أو الثقوب.

نرى في هذه الصور غشاءً عالي الجودة، وغشاءً يحتوي على طبقات متعددة، وغشاءً يحتوي على ثقوب. وتتمثل التقنية النهائية لتقييم جودة الغشاء في استخدام المجهر الإلكتروني الماسح، مما يتيح لنا معاينة الغشاء على المقياس النانوي.

بعد تقييم جودة الغشاء، نحتاج الآن إلى تلدين الكرات النانوية على الركيزة. ضع الركيزة في فرن عند 107 درجة Celsius لمدة دقيقتين تقريباً. أخرج الركيزة من الفرن واتركها تبرد لفترة وجيزة حتى تصل إلى درجة حرارة الغرفة.

بعد ذلك، انقل الركيزة الملدنة إلى نظام البلازما لإجراء عملية النقش. اضبط نظام البلازما على 75 watts، و 20 SCCM من الأكسجين، وزمن نقش قدره 175 seconds. ابدأ تدفق الأكسجين.

انتظر حتى يستقر الضغط ثم ابدأ بتشغيل بلازما التردد الراديوي (RF plasma). كما هو موضح، تقوم بلازما الأكسجين بنحت الكرات النانوية من البوليسترين بشكل متماثل المناحي، مما يؤدي إلى تكوين مصفوفة دورية من كرات متباعدة بشكل منتظم. بعد عملية النحت، قم بترسيب طبقة وسطى من الذهب بسمك 29 نانومتر باستخدام الطلاء بالترذيذ (sputter coating).

يمكن صنع هياكل متباينة الخواص عن طريق تغيير زاوية الترسيب. وبالنسبة لهذه العينات، تم ترسيب الذهب بشكل عمودي على الركيزة. يظهر هنا على اليسار قرص بطول بوصتين من كرات البوليسترين النانوية المصبوبة بالدوران.

يظهر على اليمين قرص رقاقة بعد ترسيب الذهب. يُستخدم مقياس الطيف الضوئي المجهري لقياس الخصائص البصرية لمصفوفة أكواب الذهب النانوية على ركيزة السيليكون. وتحدث ذروة رنين البلازمون عند 650 nanometers تقريبًا.

تتمثل الخطوة النهائية من هذا البروتوكول في نقل مصفوفة الأكواب النانوية الذهبية إلى غشاء مرن ومطابق. ونستخدم شريطاً لاصقاً شفافاً وحساساً للضغط لتنفيذ تقنية الرفع السريع والبسيطة هذه. خذ شريطاً لاصقاً، وضعه بعناية بحيث يتلامس مع الركيزة المطلية بالذهب.

قد تجد أنه من الضروري إزالة أي فقاعات هوائية قد تكون تكونت برفق بين سطح الرقاقة والشريط. وبمجرد أن يتلامس الشريط جيداً مع الركيزة، قم بنزع الشريط برفق. وبمجرد إزالة الشريط تماماً، تكون النتيجة غشاءً مرناً ومتوافقاً من الأكواب النانوية المرتبة دورياً.

باستخدام هذه الطريقة، تم تصنيع أغشية بلازمونية نانوية باستخدام الليثوغرافيا الغروانية، والنقش البلازمي، والطلاء المعدني، حيث عملت الكرات النانوية من البوليسترين كقناع قالب ذاتي التجميع لترسيب الأكواب النانوية المعدنية. وتم التحقق من نتائج عملية التصنيع باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح. نرى هنا الصور المجهرية للطبقة الأحادية ذاتية التجميع من الكرات النانوية من البوليسترين، والكرات النانوية المنقوشة، والأكواب النانوية بعد الترسيب المعدني.

تشمل الخصائص البصرية لهذه الأفلام نفاذية جيدة للضوء تصل إلى 70% تقريباً في الطيف المرئي مع الحفاظ على رنين بلازموني يمكن تحديده بوضوح. يُعد الليثوغراف الغرواني تقنية سريعة ومنخفضة التكلفة محتملة لتصنيع الأفلام البلازمونية النانوية. تتطلب هذه التقنية فقط معدات متوفرة بشكل شائع، ويمكن تحضير الأفلام البلازمونية النانوية في غضون ساعات قليلة فقط.

لقد أوضحنا هنا كيفية استخدام هذه التقنية لصناعة أغشية تتكون من مصفوفات دورية من الأكواب النانوية الذهبية ذات استجابة بلازمونية في الطيف المرئي. وبمجرد إتقانك لهذه التقنية، ستتمكن من تصنيع مجموعة واسعة من الأغشية البلازمونية النانوية ذات استجابات بصرية في كل من النطاقين المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء.