Wir beschreiben eine nanomoulding Technik, die Low-Cost-nanoskalige Strukturierung funktionaler Materialien, Materialien Stacks und voller Geräten ermöglicht. Nanomoulding kann auf jedem Nanoimprinting Setup durchgeführt werden und kann auf eine Vielzahl von Materialien und Abscheidungsverfahren aufgebracht werden.
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Methodenartikel
Nanomoulding von Functional Materials, ein vielseitiges Complementary Pattern Replication Methode zur Nanoimprinting
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Wir beschreiben eine nanomoulding Technik, die Low-Cost-nanoskalige Strukturierung funktionaler Materialien, Materialien Stacks und voller Geräten ermöglicht. Nanomoulding mit Layer Übertragung kombiniert ermöglicht die Replikation von beliebigen Oberflächenstrukturen von einem Master-Struktur auf die funktionelle Material. Nanomoulding kann auf jedem Nanoimprinting Setup durchgeführt werden und kann auf eine Vielzahl von Materialien und Abscheidungsverfahren aufgebracht werden. Insbesondere zeigen wir die Herstellung von gemusterten transparenten Zink-Oxid-Elektroden für Licht Trapping Anwendungen in Solarzellen.
Einleitung
Nanostrukturierung hat enorme Bedeutung in vielen Bereichen der Nanotechnologie und angewandte Wissenschaften gewonnen. Pattern Generation ist der erste Schritt und kann durch Top-down-Ansätze wie Elektronenstrahl-Lithographie oder Bottom-up-Ansätze auf self-assembly Methoden wie Nanokugel Lithographie oder Blockcopolymer-Lithographie ein Basis erreicht werden. Ebenso wichtig wie Pattern Generation ist Muster-Replikation. Neben Photolithographie hat Nanoimprinting (Abbildung 1) als eine vielversprechende Alternative insbesondere für High-Throughput großflächige nanoskalige Strukturierung bei niedrigen Kosten 2-4 entstanden. Während Photolithographie erfordert eine strukturierte Maske setzt Nanoimprint auf einem vorgefertigten Master-Struktur. Musterübertragung von der Master wird allgemein in ein thermoplastisches oder ein UV-oder thermisch härtbaren Polymer durchgeführt. Jedoch gibt es viele Fälle, wo es wünschenswert ist, um das Muster direkt auf eine funktionelle Material zu übertragen.
Hier beschreiben wir eine Replikation Methode nanomoulding und Layer Transfer (Abbildung 2), die wir vor kurzem in Ref eingeführt wurde. 5 bis nanoskaligen Mustern auf funktionale Zink-Oxid-Elektroden übertragen. Unsere nanomoulding Methode kann leicht implementiert werden, wenn ein Nanoimprinting Setup zur Verfügung. Nanomoulding bietet die Möglichkeit, generalisiert werden, um viele andere funktionelle Materialien, Materialien Stapeln und sogar komplette Geräte, vorausgesetzt, dass das Formmaterial gewählt wird, dass es kompatibel mit dem Materialabscheidungs-Prozess (en) ist. Als Beispiel sei hier vorliegenden nanomoulding aus transparentem leitfähigem Zinkoxid (ZnO)-Elektroden abgeschieden durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die ihre Anwendung auf Lichteinfang in Solarzellen 5 erweitern finden.
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Protokoll
Ein. Mould Fabrication
Wir nutzen unsere selbst gebaute Nanoimprinting Setup für die Herstellung der Negativform folgenden Ref. 6, aber keine Alternative Nanoimprinting Setup wird gut funktionieren. Alternativ kann ein funktionalisiertes Polydimethylsiloxan (PDMS) Form könnte auch funktionieren.
- Herzustellen oder kaufen ein geeigneten Master trägt die nanoskaligen Muster übertragen werden. Im Prinzip wird jeder Master für Nanoimprint die Arbeit machen. Wir verwenden ein texturiertes ZnO-Schicht auf einer Glasscheibe (Schott, AF32 Eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) abgeschieden, wie in 3.1 als Masterstruktur beschrieben, um das Verfahren zu illustrieren.
- Anwenden einer Anti-Haft-Schicht auf dem Master-Struktur wie in 2 beschrieben.
- Reinigen eine Polyethylennaphtalat (PEN)-Folie (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) in einem Ultraschall Acetonbad für 2 min mit einem Ultraschall-Isopropanol-Bad für weitere 2 min folgte. Spülen Sie noch einmal mit Isopropanol und föhnen mit Stickstoff.
- Kaution einer gesputterten Cr Haftschicht (5-10 nm) auf dem PEN Blatt.
- Spin-Beschichtung der UV-härtbaren Harz (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) auf die PEN Blechs bei 5000 rpm, um eine gleichmäßige Abdeckung.
- Durchführen einer Prebake für 5 min auf einer Heizplatte bei 80 ° C, um das Lösungsmittel zu verdampfen, verbessern Filmgleichförmigkeit und Haftung auf dem PEN Blatt.
- Verwenden Sie Ihre Nanoimprinting Setup, um die Grundmuster in den UV-härtbare Harz zu stempeln. Obwohl nicht zwingend erforderlich, führen wir unter Vakuum Stanzen zu sprudeln Einschlüsse durch Aufbringen einer homogenen Druck von 1 bar auf eine flexible Silikonmembran verhindern. In unserem Aufbau trennt der Silikonmembran die Vakuumkammer in zwei Sub-Kompartimenten. Druck wird durch Belüften des oberen Abteil erzeugt wird, während das untere Abteil unter Vakuum verbleibt. Venting drückt die flexible Membran in Richtung der unteren Einleitung des Prägung.
- Setzen des Harzes mit UV-Licht, um die Vernetzungsreaktion des Harzes zu provozieren. Wir wenden eine moderate LichtIntensität von 1,4 mW / cm 2 bei einer Wellenlänge von 365 nm von mehreren LEDs versehen ist. Belichtungszeit durch den PEN Blatt ist in der Regel 15-20 min.
- Sorgfältig von Hand Peeling die Form aus dem Master-Struktur entformt.
- Da das Harz kann unterziehen leichte Schrumpfung während der Abscheidung des funktionellen Materials, was zu spontanen Peeling, führen wir eine milde thermische Nachbehandlung im Ofen bei 150 ° C während 6-8 Stunden in einem Ofen mit Umgebungsatmosphäre vor der Weiterverarbeitung führen kann.
2. Antihaftschicht
Für eine erfolgreiche Entformung, muss die Anti-Haft-Schicht auf den Materialien und dem Muster Rauhigkeit angepasst werden. Generell grobe Muster erfordern niedrige Haftkoeffizienten. Geringe Haftkoeffizienten auf glatten Muster können zum Ablösen der funktionellen Materials aus der Form führen. Hohe Haftkoeffizienten auf rauhen Muster können in Abschälen des Harzes aus dem PEN Blattes während Formenbau als adheren führence des Harzes an den Master ist stärker.
- Mantel die Form (oder Master) mit einer gesputterten Chromschicht (5-10 nm), um die Haftung der Antiadhäsionsmittel fördern. Für glatte Muster, die wir nun diesen Schritt. In einigen Fällen kann die Chromschicht verhindern Antiadhäsionsmittel zum Ätzen der Masterstruktur.
- Anwenden einer kleinen Tropfen Antiadhäsionsmittel (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-Trichlorsilan) auf einen Objektträger. Legen Sie die Objektträger aus Glas zusammen mit der Form in eine Vakuumkammer und abpumpen. Die Anti-Haft-Mittel verdampft und abzuscheiden als molekulare Monoschicht auf der Form.
- Anker das Antiadhäsionsmittel durch Temperung während 1-2 Stunden bei 80 ° C.
3. Material Deposition
Wir zeigen hier drei Abscheideverfahren für Materialabscheidung die Vielseitigkeit nanomoulding illustrieren. Andere Techniken können auch Abscheidung aufgebracht werden. Das dritte Beispiel beschreibt die faschmierung einer kompletten Silizium-Dünnschicht-Solarzelle.
- Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Zinkoxid: Setzen der Form auf die Heizplatte des CVD-Reaktors auf 180 ° C. Verwenden Sie einen Metallrahmen zu vermeiden Biegung des PEN Form während ZnO Abscheidung. Schließen Sie den Reaktor abpumpen und ermöglichen Thermalisierung. Zugeben, die Precursorgase (H 2 O und (C 2 H 5) 2 Zn). Darüber hinaus haben wir Dosis geringe Mengen an B 2 H 6 zum Dotieren. Der ZnO-Schichtdicke ist proportional zur Abscheidungszeit. Wir verwenden ZnO Schichtdicken von typischerweise 1-5 um. Details zu typischen Ablagerungen Parameter können in Ref gefunden werden. 7
- Physical Vapour Deposition (PVD) / Sputtern von Silber: Legen Sie die Form, in der PVD-Anlage. Schließen Sie das System und abpumpen. Zugeben, Argon Prozessgas. Schalten Sie den DC-Generator. Die Ag Schichtdicke ist wieder proportional zur Abscheidung Zeit. Wir verwenden Ag Schichtdicken von typischerweise 1 um. Typische Abscheidung parameter sind ein Argondruck von 5.5x10 -3 mbar und einem spezifischen Setup Gleichstromquelle von 250 W Ausbildung einer Abscheidungsrate von etwa 45 nm / sec.
- Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PE-CVD): Deposit ZnO nach 3.1). Setz der Form in dem PE-CVD-Reaktor auf 200 ° C. Schließen Sie den Reaktor abpumpen und ermöglichen Thermalisierung. Zugeben, die Precursorgase (SiH 4 und H 2). Darüber hinaus haben wir Dosierung kleiner Mengen von B (CH 3) 3 und PH 3 zu p-und n-Dotierung bzw. erreichen. Um die Leerlaufspannung der Solarzellen zu erhöhen, verwenden wir auch geringe Mengen an CH 4 und CO 2 für die dotierten Schichten. Nach der Abscheidung des Stiftes amorphe Silizium-Solarzelle Stapel, hinterlegen wir eine ZnO backcontact wie in 3.1 beschrieben.
- Vermeiden Überbiegen der Form, wie Biegen kann zu Abschälen der abgeschiedenen Schicht.
4. Übertragen Schicht
Wir verwenden Glass Dias (Schott AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) als endgültige Substrat. Aber auch andere Substrate, einschließlich Metallfolien oder Polymerfolien, könnten alternativ verwendet werden.
- Saubere Glas-Objektträger mit Aceton und Isopropanol und Föhnen mit Stickstoff.
- Spin-Coat-UV-härtbaren Harz (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) auf dem Glasträger bei 5.000 Umdrehungen pro Minute.
- Verwenden Sie Ihre Nanoimprinting Setup, um die Form der Durchführung der abgeschiedenen Schichten auf das endgültige Substrat zu verankern. Wie zum Stanzen, führen wir unter Vakuum Verankerung durch Aufbringen einer homogenen Druck von 1 bar.
- Setzen des Harzes mit UV-Licht, um die Vernetzungsreaktion auszulösen. Wir wenden ein mittlerer Intensität von 1,4 mW / cm 2 bei einer Wellenlänge von 365 nm von mehreren LEDs versehen ist. Belichtungszeit durch den Glasträger ist nur 1-3 min aufgrund der höheren UV-Durchlässigkeit des Glases im Vergleich zu PEN.
- Entformen durch manuelles Abziehen der Form aus dem Glasträger.
5. Beispiel Charakterisierung
- Benutzen Sie Ihre Lieblings morphologischen, elektrische oder optische Technik, um die nanomoulded Proben zu charakterisieren. Hier prägen unsere nanomoulded Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM).
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Ergebnisse
Abbildung 3 fasst einige anschauliche Beispiele für nanomoulded Strukturen. Eine ZnO Masterstruktur durch CVD auf Glas gezogen wird in (a) gezeigt. Die entsprechende nanomoulded ZnO Replik ist in (d) gezeigt. Vergleich der lokalen Höhe (g) und des Winkels (j) Histogramme von AFM-Bilder extrahiert offenbaren die hohe Wiedergabetreue des nanomoulding Prozess. Analoge Ergebnisse werden für ein eindimensionales Gitter durch Interferenz-Lithographie (b, e, h, k) und anodisch strukturierten Aluminium (c...
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Diskussion
Nanomoulding ermöglicht die Übertragung von Nanostrukturen auf beliebigen funktionellen Materialien. Vergleich der einzelnen Verarbeitungsschritte in Abbildung 1 und 2 zeigt die enge Beziehung zwischen nanomoulding und Nanoimprinting. Der Hauptunterschied zwischen nanomoulding und Nanoimprinting ist das zusätzliche Material Abscheidungsschritt in 2E. Der verbleibende Prozessablauf ist identisch. Nanomoulding kann daher auf jedem verfügbaren Nanoimprinting Setup durchgef...
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Offenlegungen
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Danksagungen
Die Autoren danken M. Leboeuf für die Unterstützung bei der AFM, W. Lee für die anodisch strukturierten Aluminium-Master und dem Schweizer Bundesamt für Energie und der Schweizerischen National Science Foundation für die Finanzierung. Ein Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen des FP7-Projekt "Fast Track" von der EG im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung keine 283501 finanziert durchgeführt.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Name des Reagenz | Firma | Katalog-Nummer | Kommentare (optional) |
| Nanoimprinting Harz | Mikroresist | Ormostamp | |
| (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-Trichlorsilan Antiadhäsionsmittel | Sigma Aldrich | 448.931-10G | |
| Glasobjektträger | Schott | AF32 eco | 0,5 mm |
| Polyethylennaphthalat (PEN) Blätter | Goodfellow | ES361090 | 0,125 mm |
| (C 2 H 5) 2 Zn | Akzo Nobel | ||
| Ag Zerstäubertarget 4N | Heraeus | 81062165 | |
| B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2 | Messer | ||
| EQUIPMENT | |||
| Nanoimprint-System | Home-gebaut | ||
| LP-CVD-System | Home-gebaut | ||
| PVD-System | Leybold | Univex 450 B | |
| PE-CVD-Reaktor | Indeotec | Octopus I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | Digital Instruments | Nanoscope 3100 |
Referenzen
- 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).
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Nachdrucke und Genehmigungen
