Methodenartikel

Ein Verfahren zur Getrennt Silber Nanostrukturen in 3D Fabricate

DOI:

10.3791/4399

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27. November 2012

 ,  , 
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University , 2Department of Physics, Harvard University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben wird häufig verwendet, um dreidimensionale (3D) Strukturen in Polymeren und Gläsern zu schaffen. Allerdings bleibt Strukturierung Metallen in 3D eine Herausforderung. Wir beschreiben ein Verfahren zum Herstellen Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix durch einen Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebettet.

Zusammenfassung

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Der Standard Nanofabrikation Toolkit umfasst Techniken in erster Linie an die Erstellung von 2D-Muster in dielektrischen Medien abzielen. Erstellen Metall Muster auf einem Submikrometerbereich erfordert eine Kombination von Nanofabrikation Tools und mehrere Material Verarbeitungsschritte. Zum Beispiel, Schritte zum Erstellen planaren Metall-Strukturen mit UV Photolithographie und Elektronenstrahl-Lithographie können Sample Exposition, Probe Entwicklung, Metallabscheidung und Metall liftoff gehören. Um 3D-Metall-Strukturen zu schaffen, wird die Sequenz mehrere Male wiederholt. Die Komplexität und die Schwierigkeit, Stapeln und Ausrichten mehreren Schichten begrenzt praktische Implementierungen von 3D-Metall-Strukturierung mit Standard Nanofabrikation Tools. Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben als eine herausragende Technik für 3D Nanofabrikation entstanden. 1,2 Femtosekunden-Laser werden häufig verwendet, um 3D-Muster in Polymeren und Gläsern zu schaffen. 3-7 jedoch, 3D Metall-direct-Schreiben bleibt eine Herausforderung. Hier haben wirbeschreiben ein Verfahren zu Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix mit einem Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebetteten herzustellen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mustern nicht durchführbar unter Verwendung anderer Techniken, wie z. B. 3D-Arrays getrennt Silber Voxeln. 8 Disconnected 3D Metallstrukturen sind Metamaterialien wo Elementarzellen sind nicht in Kontakt miteinander, 9 wie gekoppelten Metalls dot 10 nützlich, 11 oder gekoppelten Metallstab 12,13 Resonatoren. Potenzielle Anwendungen sind negativer Index Metamaterialien, Unsichtbarkeitsmäntel und perfekte Linsen.

Im Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreibens wird die Laserwellenlänge gewählt, dass Photonen nicht linear in das Zielmedium absorbiert. Wenn der Laser Impulsdauer zur Femtosekundenzeitskala komprimiert und die Strahlung dicht innerhalb des Targets fokussiert, induziert die extrem hohe Intensität nichtlinearen Absorption. Mehrere Photonen absorbiert gleichzeitigely, um elektronische Übergänge, die wesentliche Änderung im Fokus Region führen verursachen. Mit diesem Ansatz kann ein Strukturen in der Masse eines Materials, anstatt auf seiner Oberfläche zu bilden.

Die meiste Arbeit auf 3D direkte Metall-Schreibgeräte hat auf die Schaffung self-supported Metall Strukturen. 14-16 Die hier beschriebene Methode ergibt Sub-Mikrometer-silber Strukturen, die nicht brauchen, um sich selbst nicht unterstützt, da sie innerhalb einer Matrix eingebettet sind. Dotiertes Polymermatrix hergestellt wird unter Verwendung einer Mischung von Silbernitrat (AgNO 3), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Wasser (H 2 O). Die Proben werden dann durch Bestrahlung mit einem 11-MHz Femtosekundenlaser Herstellung 50-fs-Pulse gemustert. Während der Bestrahlung wird Photoreduktion von Silberionen durch nichtlineare Absorption induziert, wodurch ein Aggregat von Silber-Nanopartikeln im Fokusbereich. Mit diesem Ansatz schaffen wir silberne Muster in einem dotierten PVP-Matrix eingebettet. Hinzufügen von 3D-Übersetzung des sausreichend erweitert die Strukturierung auf drei Dimensionen.

Protokoll

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Ein. Herstellung von Metall-Ionen dotierter Polymerfilm

  1. Messen Sie 8 ml Wasser in einem Becherglas.
  2. Hinzufügen 206 mg PVP zu Wasser. Mix mit Magnetrührer oder Vortex-Mixer, bis die Lösung klar ist.
  3. Fügen Sie 210 mg AgNO 3 zur Lösung. Mix mit Magnetrührer oder Vortex-Mixer, bis die Lösung klar ist.
  4. Coat Glasplatte mit Lösung durch Drop Casting.
  5. Glasobjektträger Ort im Ofen eingestellte bei 100 ° C Backen Probe für 30 min.
  6. Wägegut vom Ofen und lassen für 30 Minuten kühl.

2. Herstellung von Disconnected Silber Structures

  1. Richten Sie Setup in Abbildung 1 auf optischen Tisch mit Schwingungsisolatoren dargestellt.
  2. Passen Kompressor 50-fs Impulse nach Mikroskopobjektiv erhalten.
  3. Passen Neutralfilter bis 3-nJ Impulse nach dem Ziel zu erhalten.
  4. Stellen Sie sicher, Messfleck ist größer als Rückapertur der Mikroskop-Objektiv.
  5. Set akustooptischen Modulator bis 10-usec Belichtungsfenster, während der die Probe bestrahlt wird erzeugen.
  6. Block Laserstrahl vor Erreichen des Mikroskops und Ort Probe auf 3-Achsen-Verschiebungselement. Der Strahlengang der Femtosekunden-Laserpulsen sollte durch die Bildgebung Mikroskopobjektiv und in die Probe gelangen.
  7. Schalten Mikroskop Beleuchtungsquelle, um die Probe in situ unter Verwendung CCD-Kamera zu beobachten.
  8. Übersetzen z-Achse der Stufe zur Grenzfläche zwischen Glassubstrat und Polymerfilm finden. Dann refokussieren Mikroskops auf die gewünschte Tiefe im Inneren Polymers zum Mustern untersten Schicht. Z-Translation während Strukturieren muss in der Richtung weg von dem Glas-Polymer-Schnittstelle sein, um Streuung mit gefertigten Strukturen zu vermeiden.
  9. Unblock Laserstrahl-und Set Motion-Controller-Software zur Probe in x übersetzen -, y - und z - Richtung mit einer Geschwindigkeit von 100 mu m / sec. Bestrahlen einzigen Voxel für 10 usec einernd getrennte benachbarte Voxel durch wenigstens einigen Mikrometern für klare In-situ-Bildgebung. Einstellen akustooptischen Modulator Wiederholungsrate bis 25 Hz produziert 4-Abstand um. Laser belichteten Bereichen wird Silber enthalten Strukturen.

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Ergebnisse

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Der akustooptische Modulator und Neutralfilter (Abbildung 1) erlauben, die Menge an Energie, hinterlegt in der Probe zu steuern. Verwendung einer Belichtung von 110 Impulsen pro Voxel und 3 nJ pro Impuls, wobei die Stufe der Übersetzung bei 100 um / sec, sind die resultierenden Strukturen Silber leicht sichtbar durch die in-situ optischen Mikroskop. Niedrigere Laser Exposition (durch Verringerung Pulsenergie und / oder Impulszahl) führen zu kleineren Silber Merkmale;. Wir Merkmalen so klein wie...

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Diskussion

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Der Schlüssel für den Prozess wird Erhalten eines dotierten dielektrischen Matrix, die Hochauflösung Fertigung ermöglicht, aber nicht bald nach der Herstellung verschlechtern. Eine einfache Mischung aus PVP, AgNO 3 und H 2 O ermöglicht die Erstellung von hochauflösenden Silber Nanostrukturen, die in einem Support-Matrix eingebettet sind. Variieren des PVP an AgNO 3-Verhältnis ändert die Laserenergie für die Herstellung erforderlich, und möglicherweise andere Eigenschaften wie Merkmal Auf...

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Offenlegungen

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Keine Interessenskonflikte erklärt.

Danksagungen

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Wir anerkennen Paul JL Webster für die 3D-Rendering von optischen Daten mit Amira. Phil Muñoz und Benjamin Franta Rückmeldungen auf das Manuskript im Laufe seiner Entwicklung. Die Forschung in diesem Papier beschrieben wurde von der Air Force Office of Scientific Research unter Zuschüsse FA9550-09-1 bis 0546 und FA9550-10-1 bis 0402 unterstützt.

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Referenzen

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Femtosekunden Laser DirektschreibenHerstellung von Silber Nanostrukturen3D MetallstrukturierungEinbettung in PolymermatrixPhotoreduktion von SilberionenAnalyse mittels LichtmikroskopieRasterelektronenmikroskopieDrei Achsen TranslationstischTitan Saphir LaserNeutraldichtefilter

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