Bewertung des plasmonischen Transports in stromführenden Silbernanodrähten

Dieser auf Nanodraht basierende plasmonische Schaltkreis transportiert gleichzeitig Elektronen und Oberflächenplasmonen. In einem geteilten Informationsträger gossen Sie zunächst eine kolloidale Lösung aus Silbernanodrähten auf ein Glasdeckglas Pre-PA mit Ausrichtungsmarkierungen. Wählen Sie dann mit einer Designsoftware die Enden der Nanodrähte aus, um die Kontaktelektroden durch Elektronenstrahllithographie präzise herzustellen.

Als nächstes untersuchen Sie die Eigenschaft der kontaktierten Silbernanodrähte unter einem Oberflächenplasma-Leckstrahlungsmikroskop. Die Ergebnisse des effektiven Index und der Ausbreitungslänge des Oberflächenplasmas können die Entwicklung der Eigenschaften des Oberflächenplasmas in Abhängigkeit von der angelegten Vorspannung zeigen. Die Idee, diese Methode zu entwickeln, kam mir, als klar wurde, dass kristalline Sieben-Nanodrähte verwendet werden können, um einen elektrischen Befehl zu transportieren und gleichzeitig ein optisches Signal zu übertragen.

Die Anregung eines Oberflächenplasmas in einem Nanodraht wird von Ana cus, einer Ingenieurin aus meinem Labor, demonstriert: Verdünnen Sie die Nanodrahtlösung. In Ethanol, um eine Nanodrahtdichte auf dem Substrat von etwa einem Nanodraht alle 10 Quadratmikrometer zu erhalten. Dann 50 Mikroliter der Lösung pipettieren und auf das Pre-PA-Substrat tropfen gießen, mit Stickstoff föhnen.

Legen Sie das mit Nanodrähten verzierte Substrat auf ein kalibriertes optisches Standardmikroskop und lokalisieren Sie genau die Enden einer Reihe isolierter hochwertiger Nanodrähte in Bezug auf die nächstgelegenen Ausrichtungsmarkierungen. Verwenden Sie die gemessenen Positionen der Nanodrähte, um ein Elektrodenlayout zu entwerfen. Integrieren Sie große Empfangspads, um Wolframspannungssonden an die Elektrode anzuschließen.

Um die Nanodrähte zu erreichen, pipettieren Sie 160 Mikroliter Elektronenstrahl aus Polymethylmethacrylat. Resistieren Sie und beschichten Sie das mit Nanodraht bedeckte Substrat mit diesen aufeinanderfolgenden Beschichtungsparametern. Die Probe bei 170 Grad Celsius 10 Minuten backen.

Wiederholen Sie den Vorgang für eine zweite Lackschicht mit demselben Elektronenstrahl. Resist für beide Schichten. Sputtern Sie nun eine dünne leitfähige Goldschicht auf die Probe.

Übertragen Sie die Probe in ein Elektronenstrahlmikroskop, das für die Lithographie mit einem Faradayschen Käfig ausgerüstet ist. Messen Sie den Strahlstrom. Kalibrieren Sie dann anhand der Ausrichtungsmarkierungen das Koordinatensystem des Elektronenstrahlmikroskops.

Machen Sie das Beispiel gemäß dem Entwurfslayout verfügbar. Legen Sie eine Schrittweite fest und bestimmen Sie die Verweilzeit pro Pixel für eine bestimmte Dosis und einen bestimmten Strahlstrom. Entwickeln Sie nun die Probe mit einem Verhältnis von eins zu drei von Methylisobutylketon zu Isopropanol für 45 Sekunden.

Um den Prozess zu stoppen, tauchen Sie die entwickelte Probe für weitere 45 Sekunden in Isopropanol. Das Substrat wird in einen Metallverdampfer gegeben, der bei einem Basendruck von acht mal 10 bis zu minus acht Millibar bei einer Verdampfungsrate von 0,1 Nanometern pro Sekunde arbeitet. Es wird eine Adhäsionsschicht von zwei Nanometern Chrom und anschließend von 70 Nanometern Gold abgeschieden. Fahren Sie mit einem chemischen Abheben der Probe mit Aceton fort, das etwa 1,5 Stunden lang auf 70 Grad Celsius erhitzt wurde.

Richten Sie ein Oberflächenplasma- und Leckagemikroskop ein, das mit einem Objektiv mit hoher numerischer Apertur und einem zweiachsigen Pizo-Elektrotisch ausgestattet ist. Um die Probenposition anzupassen, bereiten Sie einen beschichteten Gaußschen Strahl mit einem Nahinfrarotlaser vor. Eine längere Anregungswellenlänge sorgt für eine längere Plasmaausbreitungsdistanz.

Richten Sie den Strahl im Mikroskop aus. Es ist zu überprüfen, ob der Durchmesser des kollatierten Strahls die Eintrittspupille des Mikroskops für die Bildung eines beugungsbegrenzten Brennflecks an der Glas-Luft-Grenzfläche ausfüllt, mit Hilfe von Strahlteilern und einer Reihe von Relaislinsen, die an einer Austrittsöffnung des Mikroskops positioniert sind, zwei Ebenen bilden, die mit der Objektebene konjugiert sind, bzw. mit der Fourier-Ebene zwei ladungsgekoppelte Gerätekameras an der Stelle dieses Konjugats platzieren Flugzeuge. Richten Sie nun mit dem elektrischen Pizo-Tisch das Ende eines ausgewählten kontaktierten Nanodrahts so aus, dass der Brennfleck überlappt.

Passen Sie die Position an, um die Lichteinkopplung in den Plasmamodus zu maximieren. Schließen Sie eine geregelte Stromversorgung an die Empfangspads der elektrischen Klemmen mit Wolframspitzen an, die auf dreidimensionalen mechanischen Sonden montiert sind. Setzen Sie einen Strom-zu-Spannungs-Wandler mit geringer Verstärkung oder ein Strommessgerät in die Schaltung ein.

Überwachen Sie dann die angelegte Vorspannung, den durch den Nanodraht fließenden Strom und die von den beiden CCD-Kameras aufgezeichneten Intensitätsverteilungen. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einen typischen 10 Mikrometer langen Silbernanodraht. Eine Nahaufnahme des linken Endes zeigt eine Breite des Nanodrahtes von 200 Nanometern mit einer fünffachen Symmetrie des Kristallwachstums

Diese Rasterelektronen zeigen die auf dem Glassubstrat lithographierten Ausrichtungsmarkierungen an. Die markierten Kreuze in der Mitte des Schreibfeldes dienen dazu, die zufällig abgeschiedenen Nanodrähte mit Hilfe eines optischen Mikroskops genau zu lokalisieren. Diese Elektroden werden durch Elektronenstrahllithographie in nachfolgenden Abscheidungen von zwei Nanometern Chrom und 70 Nanometern Gold gestaltet.

Hier zeigt ein Leckstrahlungsbild ein Oberflächenplasma, das sich in einem blanken Silbernanodraht ohne elektrische Verbindungen entwickelt. Beachten Sie, dass die fokussierte Anregung als intensitätsgesättigter Bereich erscheint, der sich mit einem Ende der Nanodraht-Intensitätsverteilung überschneidet. Die Position des effektiven Index des Plasmamodus und seine Ausbreitungslänge werden aus einer Lian-Anpassung durch die Daten extrahiert.

Dieses Bild zeigt die Ausbreitung eines undichten Oberflächenplasmamodus in einem elektrisch verbundenen Silbernanodraht. Anhand der Informationen, die in diesem Dual-Plane-Imaging-Schema enthalten sind, werden dann die Eigenschaften der Oberflächenplasmen bewertet, wenn ein Stromfluss im Nanodraht hergestellt wird. Diese repräsentativen Ergebnisse zeigen die Entwicklung der Eigenschaften des Oberflächenplasmas mit angelegter Spannungsvorspannung an den Elektroden.

Die Stromspannungskennlinie eines Silbernanodrahtes zeigt seinen durch Elektromigration induzierten Durchschlag. Während der Plasma-Effektivindex und die volle Breite bei halbem Maximum aus einer Vier-a-Ebenen-Analyse abgeleitet und für jede Vorspannung in der Nähe des elektrischen Bruchs angegeben werden. Das Plasma erreicht das distale Ende des Nanodrahtes nicht mehr.

Dies wird durch die Leckstrahlungsbilder bestätigt. Diese hochauflösenden transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahmen zeigen das Vorhandensein von Tensiden auf der Oberfläche der synthetisierten Silbernanodrähte, die den Stromfluss beeinflussen. Diese Schicht bildet eine dielektrische Barriere, die verhindert, dass der Strom durch die Schnittstelle fließt.

Diese Diagramme zeigen die Stromspannungseigenschaften für zwei verschiedene verbundene Nanodrähte, die während eines anfänglichen Bias-Sweeps gemessen wurden. Plötzliche Stromsprünge untermalen die Kurven, die auf eine teilweise Zerstörung der Tensidschicht zwischen den Goldelektroden und der Nanodrahtoberfläche hinweisen. Ein omischer Kontakt wird hergestellt, wenn ein nachfolgender Spannungsdurchlauf eine lineare Charakteristik aufweist.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie zufällig abgeschiedene Metallnanodrähte elektrisch kontaktieren und die kritischen Parameter messen können, die das Oberflächenplasma und die Ausbreitung in diesen eindimensionalen Wellenleitern steuern.