Se describe una técnica que permite nanomoulding bajo costo patrones a nanoescala de materiales funcionales, pilas de materiales y dispositivos completos. Nanomoulding se puede realizar en cualquier configuración de nanoimpresión y se puede aplicar a una amplia gama de materiales y procesos de deposición.
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Artículo de método
Nanomoulding de Functional Materials, un versátil método complementario para la replicación de patrones para nanoimpresión
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Resumen
Resumen
Se describe una técnica que permite nanomoulding bajo costo patrones a nanoescala de materiales funcionales, pilas de materiales y dispositivos completos. Nanomoulding combinada con la capa de transferencia permite la replicación de los patrones superficiales arbitrarias de una estructura maestro sobre el material funcional. Nanomoulding se puede realizar en cualquier configuración de nanoimpresión y se puede aplicar a una amplia gama de materiales y procesos de deposición. En particular, se demuestra la fabricación de electrodos transparentes estampadas de óxido de zinc para aplicaciones de captura de luz en las células solares.
Introducción
Nanoestampación ha adquirido una enorme importancia en muchos campos de la nanotecnología y las ciencias aplicadas. Generación de patrones es el primer paso y puede llevarse a cabo mediante enfoques desde arriba, como la litografía por haz de electrones o enfoques de abajo a arriba sobre la base de métodos de auto montaje, tales como la litografía de nanoesferas o de copolímero de bloque litografía 1. Tan importante como la generación de patrones es la replicación de patrones. Además de fotolitografía, nanoimpresión (Figura 1) ha surgido como una alternativa prometedora en particular adecuado para alto rendimiento de gran superficie patrones a nanoescala a bajo costo 2-4. Mientras que la fotolitografía requiere una máscara estampada, nanoimpresión se basa en una estructura maestro prefabricado. Transferencia del patrón desde el maestro se realiza con frecuencia en un termoplástico o un polímero curable por UV o térmicamente. Sin embargo, hay muchos casos, donde es deseable para transferir el patrón directamente sobre un material funcional.
Aquí se describe un método de replicación basada en nanomoulding y capa de transferencia (Figura 2), que se presentó recientemente en la referencia. 5 para transferir patrones funcionales a nanoescala sobre electrodos de óxido de zinc. Nuestro método nanomoulding se puede implementar fácilmente si una configuración de nanoimpresión es disponible. Nanomoulding ofrece el potencial de ser generalizada a muchos otros materiales funcionales, pilas de materiales y dispositivos incluso completas, siempre que el material del molde se elige de manera que sea compatible con el proceso de deposición de material (es). Como ejemplo presentamos aquí nanomoulding de conductor transparente de óxido de zinc (ZnO) electrodos depositados por deposición química de vapor (CVD), que encuentran su aplicación para mejorar la retención de la luz en las células solares 5.Acceso restringido. Inicie sesión o comience una prueba gratuita para ver este contenido.
Protocolo
1. Fabricación de Moldes
Usamos nuestra instalación de fabricación casera nanoimpresión para la fabricación del molde Ref siguiente negativos. 6, pero cualquier configuración de nanoimpresión alternativa tendrán ningún problema. Alternativamente, un funcionalizado polidimetilsiloxano (PDMS) moho también podría funcionar.
- Fabricar o comprar un maestro de transporte adecuada el patrón de escala nanométrica para ser transferidos. En principio, cualquier maestro adecuado para nanoimpresión hará el trabajo. Usamos una textura capa de ZnO sobre una lámina de vidrio (Schott, AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) depositado como se describe en 3,1 como una estructura principal para ilustrar el método.
- Aplicar una capa anti-adhesión sobre la estructura principal como se describe en 2.
- Limpiar un naftalato de polietileno (PEN) hoja (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) en un baño de acetona ultrasonidos durante 2 min seguido por un baño de ultrasonidos isopropanol durante 2 min más. Lavar una vez más con isopropanol y secar con nitrógeno.
- Depósito de una capa bombardeada Cr adherencia (nm 5-10) en la hoja de PEN.
- Spin-capa de la resina curable por UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) en la hoja de PEN a 5.000 rpm para obtener una cobertura uniforme.
- Realizar una precocido durante 5 min en una placa caliente a 80 ° C para evaporar el disolvente, mejorar la uniformidad de la película y la adherencia a la lámina de PEN.
- Utilice la configuración de nanoimpresión para acabar con el modelo maestro en la resina de curado UV. Aunque no es obligatorio, realizamos hora bajo vacío para evitar inclusiones de burbujas mediante la aplicación de una presión homogénea de 1 bar a una membrana de silicona flexible. En nuestra configuración, la membrana de silicona separa la cámara de vacío en dos sub-compartimentos. La presión se genera por descompresión del compartimiento superior, mientras que el compartimiento inferior permanece bajo vacío. Ventilación empuja la membrana flexible hacia la parte inferior de iniciar el estampado.
- Exponer la resina a la luz UV para provocar la reacción de reticulación de la resina. Aplicamos una luz moderadaintensidad de 1,4 mW / cm 2 en una longitud de onda de 365 nm proporcionados por varios LED. El tiempo de exposición a través de la hoja de PEN es típicamente 15-20 min.
- Con cuidado, desmoldar manualmente pelar el molde de la estructura principal.
- Como la resina puede someterse ligera contracción durante la deposición del material funcional, que puede conducir a la exfoliación espontánea, se realiza un secado suave mensaje térmico a 150 ° C durante 6-8 horas en un horno con atmósfera ambiente antes de su procesamiento posterior.
2. Capa antiadherente
Para el éxito del desmoldeo, la capa anti-adhesión se debe adaptar a los materiales y la rugosidad patrón. En general, los patrones difíciles requieren bajos coeficientes de fricción. Bajos coeficientes que se pegan sobre los patrones lisos pueden conducir a la exfoliación del material funcional del molde. Altos coeficientes que se pegan sobre los patrones en bruto puede resultar en el desprendimiento de la resina de la hoja de PEN durante la fabricación del molde como la adherence de la resina para el maestro es más fuerte.
- Cubrir el molde (o maestro) con una capa de cromo pulverizado (nm 5-10) para promover la adhesión del agente anti-adherencia. Para los patrones lisos dejamos caer este paso. En algunos casos la capa de cromo puede evitar que el agente anti-adhesión para grabar la estructura principal.
- Aplicar una pequeña gota de agente anti-adhesión (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) sobre un portaobjetos de vidrio. Coloque el portaobjetos de vidrio junto con el molde en una cámara de vacío y la bomba hacia abajo. El agente anti-adherencia se evapora y deposita como una monocapa molecular sobre el molde.
- Anclar el agente anti-adhesión a través de recocido durante 1-2 horas a 80 ° C.
3. Material de deposición
Se demuestra aquí tres técnicas de deposición adecuadas para la deposición de material para ilustrar la versatilidad de nanomoulding. Otras técnicas de deposición también puede ser aplicado. El tercer ejemplo se describe la faLUBRICAClON de un total de película delgada de células solares de silicio.
- La deposición química de vapor (CVD) de óxido de zinc: Ponga el molde sobre la placa de calentamiento del reactor ECV calentó a 180 ° C. Utilizar un marco de metal para evitar la flexión del molde PEN durante la deposición de ZnO. Cierre el reactor, la bomba y deje termalización. Admitir los gases precursores (H 2 O y (C 2 H 5) Zn 2). Además contamos dosis pequeñas cantidades de B 2 H 6 por dopaje. El espesor de la capa de ZnO es proporcional al tiempo de deposición. Utilizamos ZnO espesores de capa típicamente 1-5 micras. Los detalles sobre los parámetros de deposiciones típicas se pueden encontrar en la referencia. 7
- Deposición física de vapor (PVD) / pulverización catódica de plata: Poner el molde en el sistema de PVD. Cierre el sistema y la bomba hacia abajo. Admitir gas argón proceso. Encienda el generador de corriente continua. El espesor de la capa de Ag es de nuevo proporcional al tiempo de deposición. Usamos capa de Ag espesores de típicamente 1 m. P deposición típicaarameters son una presión de argón de 5.5x10 -3 mbar y una potencia DC configuración específica de 250 W dando una tasa de deposición de aproximadamente 45 nm / sec.
- Mejorada por plasma deposición de vapor químico (PE-CVD): Depósito ZnO como en 3,1). Ponga el molde en el reactor PE-CVD se calentó a 200 ° C. Cierre el reactor, la bomba y deje termalización. Admitir los gases precursores (SiH 4 y H 2). Además hemos dosis pequeñas cantidades de B (CH 3) 3 y PH 3 para lograr dopaje p-y n-tipo, respectivamente. Para aumentar la tensión en circuito abierto de las células solares, también se utilizan pequeñas cantidades de CH 4 y CO 2 para las capas dopadas. Después de la deposición de la pila de células de silicio amorfo pin solar, depositaremos un backcontact ZnO como se describe en 3.1.
- Evitar la flexión excesiva del molde, como la flexión podría causar el desprendimiento de la capa depositada.
4. La capa de transferencia
Utilizamos glass de diapositivas (Schott eco AF32, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) como sustrato final. Pero otros sustratos, incluyendo láminas de metal o láminas de polímeros, podría ser utilizado alternativamente.
- Limpie las láminas de vidrio con acetona e isopropanol y secar con nitrógeno.
- Spin-capa de resina curable por UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) sobre el portaobjetos de vidrio a 5.000 rpm.
- Utilice la configuración de nanoimpresión para anclar el molde llevando las capas depositadas sobre el sustrato final. Como para el estampado, realizamos anclaje al vacío mediante la aplicación de una presión homogénea de 1 bar.
- Exponer la resina a la luz UV para provocar la reacción de reticulación. Se aplica una intensidad moderada de 1,4 mW / cm 2 en una longitud de onda de 365 nm proporcionados por varios LED. El tiempo de exposición a través de la lámina de vidrio es sólo 1-3 min debido a la mayor transmisión de UV de vidrio en comparación con PEN.
- Desmoldeo por pelado manualmente el molde del portaobjetos de vidrio.
5. Ejemplo de Caracterización
- Use su favorito técnica morfológica, eléctrica u óptica para caracterizar las muestras nanomoulded. Aquí caracterizar nuestras muestras nanomoulded mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM).
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Resultados
La figura 3 resume algunos ejemplos ilustrativos de estructuras nanomoulded. Una estructura maestra ZnO crecido por CVD sobre vidrio se muestra en (a). El correspondiente nanomoulded ZnO réplica se muestra en (d). La comparación de la altura local (g) y el ángulo (j) histogramas extraídos de imágenes de AFM revelan la alta fidelidad de la nanomoulding proceso. Análogos resultados se muestran para una rejilla unidimensional fabricado por litografía interferencia (b, e, h, k) y aluminio anódicamente...
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Discusión
Nanomoulding permite la transferencia de nanopatterns arbitrarias en materiales funcionales. La comparación de los pasos de procesamiento individuales en la Figura 1 y 2 revela la estrecha relación entre nanomoulding y nanoimpresión. La principal diferencia entre nanomoulding y nanoimpresión es el paso adicional de material de deposición en la Figura 2e. El flujo de proceso restante es idéntica. Nanomoulding por lo tanto se puede realizar en cualquier configuración disp...
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Divulgaciones
No hay conflictos de interés declarado.
Agradecimientos
Los autores agradecen a M. Leboeuf para obtener ayuda con el AFM Lee, W. para el maestro de aluminio texturado anódicamente y la Oficina Federal Suiza de Energía y la Swiss National Science Foundation para su financiación. Una parte de este trabajo se llevó a cabo en el marco del proyecto FP7 "Fast Track", financiado por la CE en virtud del acuerdo de subvención no 283501.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Nombre del reactivo | Empresa | Número de catálogo | Comentarios (opcional) |
| Nanoimpresión resina | Microresist | Ormostamp | |
| (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, anti-adherencia agente | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Portaobjetos de vidrio | Schott | AF32 eco | 0,5 mm |
| Naftalato de polietileno (PEN) hojas | Goodfellow | ES361090 | 0,125 mm |
| (C 2 H 5) 2 Zn | Akzo Nobel | ||
| Ag sputter 4N objetivo | Heraeus | 81062165 | |
| B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2 | Messer | ||
| EQUIPO | |||
| Nanoimpresión sistema | Home-construido | ||
| LP-CVD sistema | Home-construido | ||
| PVD sistema | Leybold | Univex 450 B | |
| PE-CVD reactor | Indeotec | Pulpo I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | Instrumentos Digitales | Nanoscope 3100 |
Referencias
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- 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).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells. Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).
- Escarré, J., Söderström, K., et al. High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications. Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).
- Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).
- Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
- Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
- Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
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Reimpresiones y permisos
