Nanomoulding de Functional Materials, un versátil método complementario para la replicación de patrones para nanoimpresión

El objetivo general de este procedimiento es transferir un patrón de una estructura maestra arbitraria a un material funcional. Este video ilustra el procedimiento que utiliza óxido de zinc como material funcional: la transferencia de patrones se logra fabricando primero un molde negativo a partir de la estructura maestra. El segundo paso es crear la réplica de óxido de zinc agregando primero una capa antiadherente al molde, seguida de la deposición de óxido de zinc, el óxido de zinc se ancla al sustrato de vidrio final utilizando una resina curada con UV y finalmente se libera de su molde.

En última instancia, se pueden preparar múltiples réplicas funcionales a partir de un solo molde maestro utilizando esta técnica, mientras que otra impresión sirve tradicionalmente para modelar una resina curable térmicamente o UV. El nanomoldeo ofrece el potencial de generalizarse a muchos otros materiales funcionales, pilas de materiales e incluso dispositivos completos, siempre que se elija el material del molde compatible con el proceso de deposición de material. La primera vez que tuvimos la idea de este método fue cuando intentamos encontrar una manera de obtener un electrodo nanoimpreso conductor transparente, ya que las resinas de impresión nano disponibles en el mercado son aislantes.

Teníamos que encontrar otra forma y por eso desarrollamos el nano moldeo. Por lo general, las personas conocían este método con dificultad, ya que las propiedades de los aniones deben ajustarse cuidadosamente, comenzando por preparar un maestro que lleve el patrón a nanoescala que se va a transferir. Aquí se muestran tres estructuras maestras prefabricadas.

A la izquierda hay una lámina de plástico con rejilla lineal hecha con litografía de interferencia. En el centro hay una placa de aluminio texturizado fabricada mediante oxidación anódica y posterior grabado de la capa de óxido de aluminio. Y a la derecha hay una capa texturizada de óxido de zinc sobre vidrio cultivado por deposición química de vapor.

La muestra de óxido de zinc se utilizará en esta demostración en preparación para la capa anti aian. En primer lugar, recubra el maestro texturizado con una capa de cromo de cinco a 10 nanómetros de espesor para promover la adhesión del agente anti aian. A continuación, aplique una pequeña gota de agente anti aian en un portaobjetos de vidrio.

Transfiera la corredera de vidrio junto con el maestro a una cámara de vacío y bombee hacia abajo. Un ligero vacío es suficiente para que el agente anti aiano se evapore y se deposite en el maestro. A continuación, retire el maestro de la cámara de vacío y colóquelo en un horno a 80 grados centígrados durante una o dos horas para que el recubrimiento anti aian se aine a Aneel.

El aspecto más difícil de este procedimiento es ajustar las propiedades de la capa anti aian para evitar el derrame espontáneo y garantizar al mismo tiempo que el peeling de control siga siendo posible. Para lograr esto, las propiedades de la capa anti edición se ajustan empíricamente. A continuación, prepare el molde limpiando una lámina de polietileno, alate o bolígrafo en un baño ultrasónico de acetona durante dos minutos, seguido de un baño ultrasónico de isopropanol.

Durante dos minutos más, retire la sábana del baño y enjuague una vez más con isopropanol fresco antes de secar con nitrógeno. A continuación, coloque la hoja de la pluma en el codificador de observación y aplique una capa de cromo aian de cinco a 10 nanómetros en la hoja de la pluma. A continuación, transfiera la hoja del bolígrafo al rotador y agregue uno o dos mililitros de mosa, una resina curable por UV en la capa de centrifugado de la hoja del bolígrafo a 5.000 RPM.

Para obtener una cobertura uniforme, hornee previamente la hoja de bolígrafo recién recubierta en una placa caliente a 80 grados centígrados durante cinco minutos. Para evaporar el solvente, mejore la uniformidad de la película y mejore la adición de resina a la hoja de la pluma. A continuación, coloque la hoja del bolígrafo dentro de la nanoimpresora con la resina curable por UV apuntando hacia arriba y el maestro boca abajo en los brazos del soporte.

Vuelva a colocar la tapa de la configuración de nanoimpresión y evacúe la cámara de vacío encendiendo la bomba. Tire hacia atrás de los brazos del soporte para dejar caer el maestro sobre la resina curable por UV. En la hoja de la pluma, aplique presión sobre la membrana de silicona flexible que divide la cámara de vacío ventilando el compartimento superior mientras mantiene el vacío en la cámara inferior.

Esto empuja la membrana flexible hacia la parte inferior de la configuración, proporcionando la presión de estampado mientras mantiene la presión sobre la membrana. Exponga la resina curable por rayos UV a través del lado de la hoja del bolígrafo a la luz ultravioleta LED durante 15 a 20 minutos para provocar la reacción de reticulación. A continuación, ventile la parte inferior de la cámara de vacío para liberar la presión sobre la membrana de silicona y extraer la muestra.

Sujete con cuidado el molde y despéguelo lentamente de la estructura maestra. Luego coloque el molde en un horno y hornee a 150 grados centígrados durante tres a cinco horas para mejorar la estabilidad térmica de la resina. Finalmente, después de aplicar una capa de aniones al molde como se mostró anteriormente, la muestra está lista para la deposición de óxido de zinc para comenzar la deposición química de vapor de óxido de zinc.

Primero coloque el molde de bolígrafo preparado en un portaobjetos de vidrio. Coloque el marco de metal encima del molde para evitar doblarlo durante la deposición de vapor químico. A continuación, coloque el molde en la placa caliente del reactor de deposición de vapor químico a 155 grados centígrados mientras el molde se calienta.

Cierre la bomba del reactor por debajo de 10 a menos tres milibares y permita la termalización. A continuación, admita los gases precursores del agua y el zinc etal junto con una pequeña cantidad de di boran diluido en argón para dopaje durante 10 minutos. A una presión de proceso de 0,4 milibares, creando una capa de óxido de zinc de dos micras de espesor.

Después de la deposición, retire el molde con cuidado para evitar una flexión excesiva de la capa recién depositada, lo que puede resultar en un descamado espontáneo. Para comenzar la transferencia de capas, primero prepare los portaobjetos de vidrio para el recubrimiento giratorio lavándolos con acetona seguido de isopropanol. A continuación, seque los portaobjetos con un chorro de nitrógeno.

A continuación, la capa de centrifugación, de uno a dos mililitros de resina curable por UV en el portaobjetos de vidrio a 5.000 RPM, ancla el molde que transporta las capas depositadas en el sustrato final utilizando la nano impresora como se mostró anteriormente durante la fabricación del molde. Sin embargo, en lugar del maestro, el molde se coloca en los brazos del soporte y se baja sobre el sustrato de vidrio recubierto de resina antes de ser curado con luz ultravioleta. Finalmente, complete la transferencia despegando manualmente el molde del portaobjetos de vidrio que lleva la capa de óxido de zinc transferida.

El nanomoldeo reproduce características a nanoescala, como la textura piramidal de la capa de óxido de zinc que se muestra aquí en la imagen del microscopio electrónico de barrido de la izquierda. La imagen de la derecha muestra la réplica nano moldeada de la microscopía de fuerza atómica o se utiliza un FM para obtener imágenes de la superficie que se muestra aquí en diferentes intensidades de naranja que representa la altura de la superficie. Esta información se utiliza para medir las diferencias de altura y ángulo entre el molde que se muestra en negro y la réplica en rojo.

Para la capa de óxido de zinc, hubo muy poca variación entre el molde y la réplica, lo que demuestra la alta fidelidad del proceso de nanomoldeo. Las líneas individuales de la rejilla producida por litografía de interferencia que se muestran a la izquierda también están bien producidas en la réplica que se muestra a la derecha. Los histogramas de ángulo intensificado que corresponden a este patrón también exhiben una forma muy similar.

Sin embargo, hay un ligero cambio hacia ángulos más bajos en la réplica: se muestra en rojo en la parte inferior derecha, a la izquierda están las características únicas de una matriz de hoyuelos obtenida por la oxidación antigua del aluminio y la réplica correspondiente a la derecha. Se encuentra un ligero suavizado de las características cuando se utiliza este patrón. Esto se muestra por un ligero cambio hacia ángulos más bajos para la réplica en el histograma de ángulos que se muestra en la parte inferior derecha.

El maestro del moldeo anom se puede realizar en unas pocas horas si se realiza correctamente. Por lo tanto, el nanomoldeo allanó el camino para que los investigadores en el campo de la energía fotovoltaica exploraran nuevas estructuras nanofotónicas en células solares. Siguiendo estos procedimientos, se pueden patentar otros materiales funcionales, lo que abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones.

No olvide que trabajar con productos químicos, gases, rayos UV, fuentes de radiación y equipos de vacío puede ser peligroso y se deben usar precauciones como el equipo de protección personal adecuado en todo momento, y se debe verificar la instalación adecuada del equipo antes de realizar este procedimiento.