Summary
هذا البروتوكول تفاصيل تقنية نانو-تصنيع رواية التي يمكن استخدامها لجعل الأفلام نانوحبيبات يمكن السيطرة عليها وتخصيص مساحات كبيرة على أساس التجميع الذاتي من ديويتينج توج الأفلام المعدنية.
Abstract
أثبتت التطورات العلمية في استخدام نانوحبيبات المعدني لكفاءة تحويل الطاقة المحسنة والأجهزة البصرية تحسين الأداء، وتخزين البيانات عالية الكثافة الفائدة المحتملة لاستعمالها في الصناعة التطبيقات. هذه التطبيقات تتطلب مراقبة دقيقة على مدى حجم نانوحبيبات والمباعدة بين الولادات، وفي بعض الأحيان الشكل. هذه المتطلبات قد أدت إلى الاستفادة من الوقت والتكلفة خطوات المعالجة المكثفة لإنتاج جسيمات نانوية، مما يجعل الانتقال إلى التطبيق الصناعي غير واقعية. هذا البروتوكول سيؤدي إلى حل هذه المشكلة عن طريق توفير وسيلة معقولة وقابلة لإنتاج الأفلام نانوحبيبات مساحة كبيرة مع مراقبة نانوحبيبات تحسن بالمقارنة مع التقنيات الحالية. في هذه المقالة، سوف يتجلى في العملية مع الذهب، ولكن يمكن أيضا استخدام المعادن الأخرى.
Introduction
تصنيع الفيلم نانوحبيبات مساحة كبيرة من الأهمية بمكان اعتماد التطورات التكنولوجية الأخيرة في تحويل الطاقة الشمسية، وتخزين البيانات عالية الكثافة باستخدام جسيمات نانوية plasmonic1،2، 3 , 4 , 5-من المثير للاهتمام، هو الخصائص المغناطيسية لبعض هذه الجسيمات النانوية plasmonic، التي توفر هذه الجسيمات النانوية مع القدرة على التلاعب والتحكم بالضوء على النانو. هذا للتحكم في ضوء ينص على إمكانية تعزيز فخ الخفيفة الضوء الحادث في النانو وزيادة أبسوربتيفيتي سطح. استناداً إلى هذه الخصائص نفسها، ولديها القدرة على أن جسيمات نانوية في أما ممغنط ودولة غير ممغنط، تعريف العلماء أيضا منصة جديدة لتخزين البيانات الرقمية عالية الكثافة. وفي كل من هذه التطبيقات، من الأهمية بمكان أن على منطقة كبيرة وأسعار معقولة النانومترى هو تطوير تقنية تسمح للسيطرة على حجم نانوحبيبات والمباعدة بين الولادات، والشكل.
وتستند التقنيات المتاحة لإنتاج جسيمات نانوية الغالب طباعة حجرية نانوية، التي لها قابلية كبيرة وتكاليف القضايا. وكانت هناك عدة دراسات مختلفة التي حاولت معالجة مشكلة قابلية هذه التقنيات، ولكن حتى الآن، لا توجد عملية موجود يوفر مستوى الرقابة اللازمة لتصنيع نانوحبيبات والتكلفة والوقت فعالة بشكل كاف اعتماد في التطبيقات الصناعية6،،من78،9،،من1011. مطلوب الأخيرة بعض الجهود البحثية تحسين التحكم الليزر النبضي المستحث ديويتينج (بليد) وقالب الحالة الصلبة ديويتينج12،،من1314، ولكن لا يزال لديهم كبيرة خطوات الطباعة الحجرية، وهكذا مشكلة الاستيعاب.
في هذه المخطوطة، نقدم بروتوكول أسلوب النانومترى الذي سيعالج هذه المسألة التدرجية والتكلفة التي ابتليت باعتماد واستخدام نانوحبيبات الأفلام في نطاق واسع من التطبيقات الصناعية. يسمح هذا الأسلوب معالجة السيطرة على حجم إنتاج نانوحبيبات والتباعد عن طريق التلاعب الطاقات السطحية التي تملي التجميع الذاتي من جسيمات نانوية تشكيلها. هنا، نحن توضح استخدام هذه التقنية باستخدام طبقة رقيقة من الذهب لإنتاج جسيمات نانوية الذهب، لكن قد قمنا مؤخرا بنشر إصدار مختلف قليلاً من هذا الأسلوب استخدام فيلم نيكل وبالتالي يمكن استخدام هذا الأسلوب مع أي المعدن المطلوب. والهدف من هذا الأسلوب لإنتاج أفلام نانوحبيبات مع التقليل من تكلفة وتعقيد العملية وهكذا نحن بتعديل نهجنا السابقة، التي تستخدم ترسيب طبقة الذرية واشعاع الليزر النانوسيكند على نظام ني-ألومينا والاستعاضة عنها لهم مع المادية بخار ترسب وطبق ساخن. كما أظهرت نتيجة لعملنا بشأن نظام ني-شركة ألومينا بمستوى مقبول من السيطرة على مورفولوجية السطح بعد ديويتينج15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
ملاحظة: يتحقق باتباع البروتوكول مفصلاً تلفيق مساحة كبيرة من الأفلام نانوحبيبات الذهب يمكن السيطرة عليها وقابلة للتخصيص. ويتبع البروتوكول ثلاثة مجالات رئيسية هي إعداد (1) الركيزة (2) ديويتينج والنقش وتوصيف (3).
1-إعداد الركيزة
- تنظيف الركازة (100 نانومتر SiO2 في سي) باستخدام شطف الأسيتون متبوعاً شطف كحول الأيزوبروبيل والجاف ثم استخدام غاز2 تيار ن.
- تحميل الركيزة في النظام الحراري مبخر وإجلاء للوصول إلى الضغط المطلوب لترسب الفيلم معدنية. تأكد من أن الدائرة يتم إجلاؤهم إلى ضغط يقارب 10-6 عربة لإزالة الهواء وبخار الماء في قاعة.
- استخدام المبخر الحراري، إيداع الفيلم الذهب في السمك المطلوب (5 شمال البحر الأبيض المتوسط في هذه الحالة). تم الحصول على مصدر الذهب المواد في شكل أسلاك قطرها 0.5 مم من الذهب (99.99% نقي). ملاحظة أن يؤديها التحكم في سمك لجميع مراحل ترسب معايرة الجهاز، النظر في جميع المعالم الهامة وآخر قياس السمك. في كل مراحل الترسيب، الضغط الأرجون زوجين من ميليتورس (متور 1-5)، وترد المجموعة كضغوط مختلفة يتم اختيارها لمعايرة لأن معدل الترسيب.
- التنفيس وإزالة الركازة مع الفيلم معدنية المودعة من النظام المبخر الحراري. يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
- تحميل الركازة مع الفيلم معدنية المودعة في نظام ترسب الرش ماغي التيار المباشر (DC) وإجلاء للوصول إلى الضغط المطلوب لترسب الفيلم متوجا (جدول المواد).
- لتحديد موقع العينة في الجهاز، وضع العينة في التحميل قفل والجهاز نقل العينة إلى قاعة ترسب الرئيسية لضمان مستوى كاف من فراغ. ملاحظة أن ترسب وضع حد أقصى لشركة ألومينا طبقة مكان حكايات في الخطوة التالية، وهو شرح هذه الخطوة في عملية وضع العينة في الجهاز وكيفية نقل العينة إلى قاعة ترسب الرئيسية.
- إيداع طبقة متوجا للمواد المطلوبة وسمك. علما أن ترسب الألومينا يتبع الإجراء وشرط لترسب طبقة الذهب، واﻷلومينا سمك متغير مماثلة في هذه الحالة. تم الحصول على مصدر المواد الألومينا في شكل قطرها 50.8 ملم، 6.35 مم سميكة الرش المستهدف من أكسيد الألومنيوم (99.5 ٪ نقية).
- ماغي تنفيس DC تفل غرفة الترسيب وإزالة العينة المعدة. (جدول المواد). يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
2-ديويتينج والنقش
- ضع العينة المعدة على صفيحة ساخنة ساخنة مسبقاً. 5 نانومتر الذهب الفيلم توج مع شركة ألومينا، وحرارة العينة في 300 درجة مئوية والسماح بالعينة لدوت ح 1. يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
- أحفر الألومينا في حين ترك الذهب والكامنة وراء SiO2/Si الركازة مع 3:1:1 = ح2O:NH4OH:H2س2 (في wt %) وينبغي اتخاذ الحل عند 80 درجة مئوية حاء 1 – علما بأن هذه العملية تتم في غطاء محرك السيارة وجميع الاحتياطات للتعامل مع المواد الخطرة المسببة للتآكل، والبيئية. يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
3. وصف
- تحضير العينة ليكون فراغ متوافقة قبل الشطف بالأسيتون والكحول الأيزوبروبيل متبوعاً بالتجفيف مع ن2.
- صورة الأفلام نانوحبيبات باستخدام المسح الضوئي المجهر الإلكتروني (SEM) تحت التفريغ العالي وتكبير عالية (50، 000 X التكبير في هذه الحالة حل جسيمات نانوية الحجم الأدنى). يمكن أن يكون مؤقتاً البروتوكول هنا.
- القيام بتحليل الصورة للحصول على معلومات حجم نانوحبيبات وتوزيعات المباعدة بين الولادات. تحليل الصور ويتم استخدام رمز MATLAB-على أساس تلك العتبات ينفذ الصورة الرمادية، والحد من الضوضاء، والجسيمات ملء الروتينية15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
البروتوكول هو موضح هنا قد استخدمت للمعادن متعددة وأظهرت قدرة على إنتاج جسيمات نانوية على الركازة عبر المساحة الكبيرة، مع حجم يمكن السيطرة عليها، والمباعدة بين الولادات. ويبين الشكل 1 البروتوكول مع الممثل النتائج تظهر القدرة على التحكم في حجم نانوحبيبات ملفقة والمباعدة بين الولادات. عند اتباع هذا البروتوكول، ونتيجة لذلك، وهو الفيلم نانوحبيبات ملفقة مع حجم وتوزيع المسافات، سوف تعتمد على اختيار معدن، واختيار الركازة، واختيار وضع سقف لطبقة المواد وسماكة المعادن، ووضع حد أقصى سمك الطبقة. عن طريق ضبط أي من هذه المعلمات، يتوقع من التحول والتغيير في هذه التوزيعات. على سبيل مثال، فيلم nm الذهب 5 في SiO2 2س ال3 وضع سقف لطبقة من سمك 0 نانومتر، 5 نانومتر، 10 نانومتر، و 20 نانومتر تؤدي إلى إنصاف أقطار نانوحبيبات متوسط من 14.2 نانومتر، 18.4 نانومتر، 17.3 نانومتر، و 15.6 شمال البحر الأبيض المتوسط ، على التوالي، تباعد نانوحبيبات متوسط 36.9 نانومتر، 56.9 نانومتر، 51.3 نانومتر، و 47.2 شمال البحر الأبيض المتوسط، على التوالي.
رقم 1: صورة رسومية لنتائج بروتوكول والممثل- رسوم بيانية قدم هي لب (أعلى اليسار) وإنصاف أقطار (أسفل اليسار) توزيع الجسيمات. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
رقم 2: صورة SEM وضع حد أقصى لا طبقة (أ) وعينات مع 5 (ب)، وشمال البحر الأبيض المتوسط 10 (ج) و 20 (د) وضع سقف لطبقة- تغيير أحجام الجسيمات وتوزيعات تتضح من مقارنة الصور. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
البروتوكول عملية سهلة وممكنة لعملية نانو-تصنيع لإنتاج جسيمات نانوية على الركازة مساحات كبيرة مع خصائص يمكن السيطرة عليها. ظاهرة ديويتينج، الأمر الذي يؤدي إلى إنتاج جزيئات، يستند إلى اتجاه طبقة ديويتيد إلى تحقيق الحد الأدنى من الطاقة السطحية. ويستهدف السيطرة على حجم وشكل من الجسيمات مع ترسب على سطح الثانية على الطبقة الرئيسية لضبط الطاقات السطحية، والتوازن النهائي بين الالتصاق والطاقة اللازمة لثني الطبقة متوجا على الجسيمات يحدد الأنظمة ديويتينج مختلفة، مما يؤدي إلى مورفولوجيس السطحية المختلفة. تم تصميم هذا البروتوكول وبرهنت على أساس المعدات والعمليات التي يمكن الوصول إليها عادة لأي شخص مع المعدات ميكروفابريكيشن الأساسية والقدرات العملية. في نهج واضح، يمكن تحقيق رقابة إضافية على توزيع نانوحبيبات النهائي بتغيير سمك الفيلم معدنية وسمك طبقة الغطاء والمواد الركيزة والمواد طبقة الغطاء. بين هذه المتغيرات العملية، يمكن تحقيق مجموعة واسعة من حجم نانوحبيبات والمباعدة بين الولادات.
إضافة خطوات إضافية أو الاستعاضة عن التقنيات المستخدمة في البروتوكول الحالي يمكن أن توفر التعديل إضافية عملية أسفرت عن المزيد من السيطرة على توزيعات نانوحبيبات، بما في ذلك مجموعة أوسع من حجم نانوحبيبات والتباعد، تضييق توزيعات نانوحبيبات، أو القدرة على إنتاج أفلام نانوحبيبات المتعدد الوسائط. وكان هذا البروتوكول مصممة والواضحة مع تركيز على إمكانية الوصول ومنخفضة التكلفة. إذا كان المطلوب هو أكثر من نطاق، سيتم استخدام نظام انلينغ الحراري السريع أو إشعاع الليزر تغيير معدل التسخين ويوفر المزيد من التحكم نانوحبيبات. إذا كان المطلوب هو توزيع نانوحبيبات المتعدد الوسائط، يمكن إضافة الخطوات الوسيطة للطباعة الحجرية (الليثوغراف شعاع الإلكترون أو التصويرية) قبل ترسب المعادن أو قبل ترسيب طبقة الغطاء. سيؤدي إلى درجات الطباعة الحجرية في طبقة معدنية أو كاب سمك متغير عبر السطح، ومن ثم توزيع نانوحبيبات مختلفة.
تعديل آخر التي يمكن إجراؤها بسهولة في المعادن المطلوبة، اعتماداً على التطبيق المحدد للفيلم نانوحبيبات. هنا، يستخدم المظاهرة الذهب بسبب خصائص plasmonic، ولكن على نحو مماثل، يمكن أن المطلوب نانوحبيبات معدنية أو غيرها نانوحبيبات plasmonic، أو حتى نانوحبيبات شل الأساسية. ويتحقق ذلك عن طريق تغيير المواد المعدنية الفيلم. هذا التغيير سيؤثر على توزيع نانوحبيبات الناتجة بسبب الاختلافات في الطاقات السطحية، ولكن يمكن توقع الاتجاهات نفسها. لاحظ أن سمك طبقة متوجا يوفر التحكم بحجم نانوحبيبات والمباعدة بين الولادات الناتجة. النظم المادية الجديدة، ستكون هناك حاجة إلى فهم لمدى الرقابة.
تم تصميم هذا البروتوكول للقضاء على مسألة تصنيع نانوحبيبات المستندة إلى الركازة مساحة كبيرة للتطبيقات بدءاً من تحويل الطاقة الشمسية إلى تخزين البيانات عالية الكثافة. تتطلب هذه التطبيقات مساحة كبيرة من الجسيمات النانوية مع جسيمات نانوية محددة تحديداً جيدا والتي تسيطر عليها. التقنيات المستخدمة في مختبرات الأبحاث لدراسة تأثير أن جسيمات نانوية أشركت في هذه التطبيقات معدات غالية الثمن ووقت العمليات المكثفة، مما يجعلهم غير مجد للتطبيقات الصناعية. وأثبتت هذا البروتوكول مستوى الرقابة اللازمة استناداً إلى أسعار معقولة وسريعة خطوات معالجة.
هذا البروتوكول له إمكانية أن تكون تقنية ثورية لإنتاج أي أفلام نانوحبيبات التي تتطلب المعالجة المستندة إلى الركيزة. هذه التظاهرة مع نظام مادي واحد فقط، ولكن سوف يتم إجراء مزيد من البحوث في المدى القصير من أجل استكشاف الإمكانيات الكاملة للتحكم والتخصيص التي يتم توفيرها بموجب هذا البروتوكول.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.
Acknowledgments
نعترف بالدعم من "مرفق الأساسية الفحص المجهري" في جامعة ولاية يوتا للنتيجة ووزارة شؤون المرأة. ونعترف أيضا "المؤسسة الوطنية للعلوم" (جائزة #162344) للعاصمة ماغي اﻷخرق النظام، المؤسسة الوطنية للعلوم (جائزة #133792) (مجال الإلكترون وأيون) 650 كمات فيي، وإدارة الطاقة، جامعة الطاقة النووية برنامج نانولاب نوفا فيي 600.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 100 nm SiO2/Si Substrate | University Wafer | Thermal Oxide Wafer | |
| Alumina Sputter Target (99.5%) | Kurt J. Lesker | Alumina Target | |
| Gold Wire (99.99%) | Kurt J. Lesker | Gold Wire | |
| H2O2 | Sigma-Aldrich | ||
| Hot Plate | Thermo Scientific | Cimarec | |
| NH4OH | Sigma-Aldrich | ||
| Scanning Electron Microscope | FEI | Quanta 650 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova Nanolab 600 | |
| Sputter Deposition System | AJA International | Orion-5 | |
| Thermal Evaporator | Edwards | 360 |
References
- Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T., Green, M. A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells. Journal of Applied Physics. 101 (9), 093105 (2007).
- Ding, B., Lee, B. J., Yang, M., Jung, H. S., Lee, J. -K. Surface-Plasmon Assisted Energy Conversion in Dye-Sensitized Solar Cells. Advanced Energy Materials. 1 (3), 415-421 (2011).
- Tehrani, S., Chen, E., Durlam, M., DeHerrera, M., Slaughter, J. M., Shi, J., Kerszykowski, G. High density submicron magnetoresistive random access memory (invited). Journal of Applied Physics. 85 (8), 5822-5827 (1999).
- Ross, C. A., et al. Fabrication of patterned media for high density magnetic storage. Journal of Vacuum Science & Technology B. 17, 3168 (1999).
- Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. Nanomaterials for optical data storage. Nature Reviews Materials. 1, 16070 (2016).
- Mock, J. J., Barbic, M., Smith, D. R., Schultz, D. A., Schultz, S. Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles. The Journal of Chemical Physics. 116 (15), 6755-6759 (2002).
- Su, K. -H. A., et al. Interparticle Coupling Effects on Plasmon. Resonances of Nanogold Particles, Nano Letters. 3 (8), 1087-1090 (2003).
- Lee, K., El-Sayed, M. A. Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition. The Journal of Physical Chemistry B. 110 (39), 19220-19225 (2006).
- Grzelczak, M., Prez-Juste, J., Mulvaney, P., Liz-Marzn, L. M. Shape control in gold nanoparticle synthesis. Chemical Society Reviews. 37 (9), 1783-1791 (2008).
- Ye, J., Thompson, C. Templated Solid-State Dewetting to Controllably Produce Complex Patterns. Advanced Materials. 23 (13), 1567-1571 (2011).
- Huang, J., Kim, F., Tao, A., Connor, S., Yang, P. Spontaneous formation of nanoparticle stripe patterns through dewetting. Nature Materials. 4, 896-900 (2005).
- Hughes, R. A., Menumerov, E., Neretina, S. When lithography meets self-assembly: a review of recent advances in the directed assembly of complex metal nanostructures on planar and textured surfaces. Nanotechnology. 28 (28), 282002 (2017).
- Kim, D., Giermann, A. L., Thompson, C. V.
- Fowlkes, J. D., Doktycz, M. J., Rack, P. D. An optimized nanoparticle separator enabled by electron beam induced deposition. Nanotechnology. 21 (16), 165303 (2010).
- White, B. C. A., et al. The Effect of Different Thickness Alumina Capping Layers on the Final Morphology of Dewet Thin Ni Films. Applied Physics A. 124 (3), 233 (2018).
