Nanomoulding von Functional Materials, ein vielseitiges Complementary Pattern Replication Methode zur Nanoimprinting

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, ein Muster von einer beliebigen Hauptstruktur auf ein funktionales Material zu übertragen. Dieses Video veranschaulicht das Verfahren mit Zinkoxid als funktionalem Materialmustertransfer, indem zunächst eine Negativform aus der Masterstruktur hergestellt wird. Der zweite Schritt besteht darin, die Zinkoxid-Replik zu erstellen, indem zuerst eine Antihaftschicht auf die Form aufgebracht wird, gefolgt von einer Zinkoxidabscheidung, das Zinkoxid dann mit einem UV-härtenden Harz auf dem endgültigen Glassubstrat verankert und schließlich aus seiner Form gelöst wird.

Letztendlich können mit dieser Technik mehrere funktionsfähige Repliken aus einer einzigen Urform hergestellt werden, während ein anderer Druck traditionell dazu dient, ein UV- oder thermisch härtendes Harz zu modellieren. Nano-Molding bietet das Potenzial, auf viele andere Funktionsmaterialien, Materialstapel und sogar komplette Geräte verallgemeinert zu werden, vorausgesetzt, das Formmaterial wird so gewählt, dass es mit dem Materialabscheidungsprozess kompatibel ist. Wir hatten die Idee zu dieser Methode, als wir versuchten, einen Weg zu finden, eine transparente leitfähige Nano-geprägte Elektrode zu erhalten, da kommerziell erhältliche Nanodruckharze isolierend sind.

Wir mussten einen anderen Weg finden und deshalb haben wir das Nano-Molding entwickelt. Im Allgemeinen kannten die Individuen diese Methode nur mit Mühe, da die Anioneneigenschaften sorgfältig angepasst werden sollten. Beginnen Sie mit der Vorbereitung eines Masters, der das zu übertragende nanoskalige Muster trägt. Hier sind drei vorgefertigte Master-Strukturen zu sehen.

Auf der linken Seite ist eine Kunststofffolie mit Liniengitter zu sehen, die mittels Interferenzlithographie hergestellt wurde. In der Mitte befindet sich eine strukturierte Aluminiumplatte, die durch anodische Oxidation und anschließendes Abätzen der Aluminiumoxidschicht hergestellt wird. Und auf der rechten Seite befindet sich eine texturierte Zinkoxidschicht auf Glas, die durch chemische Gasphasenabscheidung gewachsen ist.

Die Zinkoxidprobe wird in dieser Demonstration zur Vorbereitung der Anti-Aian-Schicht verwendet. Beschichten Sie den texturierten Master zunächst mit einer fünf bis 10 Nanometer dicken Tuspierungsschicht aus Chrom, um die Haftung des Anti-Aian-Mittels zu fördern. Tragen Sie anschließend einen kleinen Tropfen Anti-Aian-Mittel auf einen Objektträger auf.

Übertragen Sie den Objektträger zusammen mit dem Master in eine Vakuumkammer und pumpen Sie nach unten. Ein leichtes Vakuum genügt, damit das Anti-Aian-Mittel verdampft und sich auf dem Master ablagert. Nehmen Sie dann den Master aus der Vakuumkammer und stellen Sie ihn für ein bis zwei Stunden bei 80 Grad Celsius in einen Ofen für die Anti-Aian-Beschichtung zu Aneel.

Der schwierigste Aspekt dieses Verfahrens ist die Anpassung der Eigenschaften der Anti-Aian-Schicht, um ein spontanes Verschütten zu verhindern und gleichzeitig zu gewährleisten, dass ein kontrolliertes Peeling möglich bleibt. Um dies zu erreichen, werden die Eigenschaften der Anti-Edition-Schicht empirisch angepasst. Bereiten Sie als Nächstes die Form vor, indem Sie ein Polyethylen-Naft-, Alat- oder Stiftblatt zwei Minuten lang in einem Ultraschall-Acetonbad reinigen, gefolgt von einem Ultraschall-Isopropanolbad.

Nehmen Sie das Blatt für weitere zwei Minuten aus dem Bad und spülen Sie es noch einmal mit frischem Isopropanol ab, bevor Sie es mit Stickstoff trocknen. Legen Sie dann das Stiftblatt in den Spotter-Bogen und tragen Sie eine fünf bis 10 Nanometer große Chromschicht auf das Stiftblatt auf. Übertragen Sie anschließend das Stiftblatt in den Spin Coter und geben Sie ein bis zwei Milliliter Mosa, ein UV-härtendes Harz, bei 5.000 U/min auf den Stiftblatt-Spincoat.

Um eine gleichmäßige Deckkraft zu erhalten, backen Sie das frisch beschichtete Stiftblatt auf einer heißen Platte bei 80 Grad Celsius fünf Minuten lang vor. Um das Lösungsmittel zu verdampfen, die Gleichmäßigkeit des Films zu verbessern und das Harz zusätzlich zum Stiftblatt zu verbessern. Legen Sie dann das Stiftblatt mit dem UV-härtenden Harz nach oben und dem Master kopfüber auf die Halterarme in den Nano-Imprinter.

Bringen Sie die Abdeckung der Nanoprägung wieder an und evakuieren Sie die Vakuumkammer, indem Sie die Pumpe einschalten. Ziehen Sie die Halterarme zurück, um den Master auf das UV-härtende Harz fallen zu lassen. Üben Sie auf dem Stiftblatt Druck auf die flexible Silikonmembran aus, die die Vakuumkammer halbiert, indem Sie das obere Fach entlüften, während das Vakuum in der unteren Kammer aufrechterhalten wird.

Dadurch wird die flexible Membran in Richtung des unteren Rand des Aufbaus gedrückt, wodurch der Prägedruck aufrechterhalten wird, während der Druck auf die Membran aufrechterhalten wird. Setzen Sie das UV-härtende Harz durch die Seite des Stiftblatts 15 bis 20 Minuten lang LED-UV-Licht aus, um die Vernetzungsreaktion zu provozieren. Entlüften Sie anschließend den unteren Teil der Vakuumkammer, um den Druck auf die Silikonmembran abzulassen und die Probe zu entfernen.

Fassen Sie die Form vorsichtig an und ziehen Sie sie langsam von der Masterstruktur ab. Stellen Sie dann die Form in einen Ofen und backen Sie sie drei bis fünf Stunden lang bei 150 Grad Celsius, um die thermische Stabilität des Harzes zu verbessern. Schließlich, nach dem Auftragen einer Anionenschicht auf die Form, wie zuvor gezeigt, ist die Probe bereit für die Zinkoxidabscheidung, um mit der chemischen Gasphasenabscheidung von Zinkoxid zu beginnen.

Legen Sie zunächst die vorbereitete Stiftform auf einen Objektträger. Platzieren Sie den Metallrahmen auf der Form, um ein Verbiegen während der chemischen Gasphasenabscheidung zu vermeiden. Stellen Sie dann die Form auf die heiße Platte des chemischen Gasphasenabscheidungsreaktors, die bei 155 Grad Celsius gehalten wird, während sich die Form erwärmt.

Die Reaktorpumpe wird auf unter 10 bis minus drei Millibar heruntergefahren und die Thermalisierung ermöglicht. Dann die Vorläufergase Wasser und Ethal Zink zusammen mit einer kleinen Menge Diboran, verdünnt in Argon verdünnt, zum Dotieren für 10 Minuten zugeben. Bei einem Prozessdruck von 0,4 Millibar entsteht eine zwei Mikrometer dicke Zinkoxidschicht.

Entfernen Sie die Form nach der Abscheidung vorsichtig, um ein übermäßiges Verbiegen der neu abgeschiedenen Schicht zu vermeiden, das zu einem spontanen Ablösen führen kann. Um mit dem Schichttransfer zu beginnen, bereiten Sie die Objektträger zunächst für die Schleuderbeschichtung vor, indem Sie sie mit Aceton und anschließend mit Isopropanol waschen. Trocknen Sie dann die Objektträger mit einem Stickstoffstrahl ab.

Als nächstes werden ein bis zwei Milliliter UV-härtendes Harz mit 5.000 U/min auf dem Objektträger gedreht und die Form mit den abgeschiedenen Schichten mit dem Nano-Imprinter auf dem endgültigen Substrat verankert, wie zuvor bei der Herstellung der Form gezeigt wurde. Anstelle des Masters wird die Form jedoch in die Halterarme eingesetzt und auf das harzbeschichtete Glassubstrat abgesenkt, bevor sie mit UV-Licht ausgehärtet wird. Schließen Sie schließlich die Übertragung ab, indem Sie die Form manuell von dem Glasobjektträger abziehen, der die übertragene Zinkoxidschicht trägt.

Das Nano-Molding reproduziert nanoskalige Merkmale wie die Pyramidenstruktur der Zinkoxidschicht, die hier im Rasterelektronenmikroskop links zu sehen ist. Das rechte Bild zeigt die nanogeformte Nachbildung der Rasterkraftmikroskopie oder ein FM wird verwendet, um die hier gezeigte Oberfläche in unterschiedlichen Intensitäten von Orange abzubilden, die die Oberflächenhöhe darstellt. Diese Informationen werden verwendet, um die Höhen- und Winkelunterschiede zwischen der schwarz dargestellten Form und der rot dargestellten Replik zu messen.

Bei der Zinkoxidschicht gab es nur sehr geringe Unterschiede zwischen der Form und der Replik, was die hohe Wiedergabetreue des Nanoformprozesses zeigt. Die einzelnen Linien des Gitters, die links durch Interferenzlithographie erzeugt werden, sind auch in der rechts gezeigten Replik gut wiedergegeben. Die Histogramme mit erhöhtem Winkel, die diesem Muster entsprechen, weisen ebenfalls eine sehr ähnliche Form auf.

Es gibt jedoch eine leichte Verschiebung hin zu niedrigeren Winkeln in der Replik, die in Rot dargestellt ist, unten rechts, links sind die einzigartigen Merkmale eines Grübchenarrays, das durch die antike Oxidation von Aluminium und die passende Replik auf der rechten Seite erhalten wurde. Eine leichte Glättung der Merkmale ist bei Verwendung dieses Musters zu finden. Dies zeigt sich in einer leichten Verschiebung hin zu niedrigeren Winkeln für die Replik im Winkelhistogramm, das unten rechts gezeigt wird.

Der Meister des Anom-Formens kann in wenigen Stunden durchgeführt werden, wenn es richtig durchgeführt wird. Das Nano-Molding ebnete Forschern auf dem Gebiet der Photovoltaik den Weg, um neue nanophotonische Strukturen in Solarzellen zu erforschen. Nach diesen Verfahren können weitere Funktionsmaterialien patentiert werden, was die Tür zu einem breiten Anwendungsspektrum öffnet.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Chemikalien, Gasen, UV-Strahlungs- und Strahlungsquellen und Vakuumgeräten gefährlich sein kann und Vorsichtsmaßnahmen wie geeignete persönliche Schutzausrüstung jederzeit getragen werden sollten und die ordnungsgemäße Installation des Geräts überprüft werden sollte, bevor Sie diesen Vorgang durchführen.