Fabricación de matrices Nanocup oro periódicas usando litografía coloidal

El objetivo general de este procedimiento es fabricar y caracterizar arreglos periódicos de nanotazas de oro utilizando una técnica sencilla y de bajo costo denominada litografía coloidal. Las nanotazas o nanocáscaras de oro poseen propiedades ópticas únicas que han encontrado aplicaciones en áreas como la óptica no lineal, los metamateriales y la detección química. En este video, aprenderá cómo fabricar películas flexibles y transparentes con arreglos nano-plasmónicos utilizando una técnica económica basada en la autoensamblaje de nanoesferas de poliestireno altamente monodispersas.

Este enfoque tiene la ventaja de la escalabilidad en comparación con procesos en serie como la litografía por EUV. Estas películas compuestas por matrices periódicas de nanotazas o nanocascarones de oro tienen aplicaciones que van desde la detección química, indicación de manipulación y fotovoltaica. Además, es sencillo ajustar la resonancia de plasmones de estas películas desde el espectro visible hasta el infrarrojo cercano, dependiendo de la aplicación deseada.

Este video describirá la fabricación de matrices de nanotazas de oro sobre un sustrato de silicona sacrificable, la caracterización óptica de las estructuras resultantes y la transferencia de las películas a una película adhesiva transparente. Primero, coloque varias obleas de silicona en un portador de cuarzo para la limpieza con plasma. Esto garantiza una superficie limpia e hidrofílica, esencial para la autoensamblaje de las nanoesferas poliméricas.

A continuación, coloque el portador de cuarzo en el sistema de plasma e inicie el vacío. El sistema se configuró para una limpieza con plasma de oxígeno de 250 vatios durante 15 minutos, con un flujo de 30 SCCM de oxígeno. Mientras las obleas de silicona se limpian con plasma, retire la solución de nanoesferas de poliestireno del refrigerador y deje que alcancen la temperatura ambiente.

Para ayudar a garantizar una solución uniforme, mezcle brevemente la solución mediante vortex durante un minuto. Luego, someta la solución a sonicación durante un minuto. Con el fin de obtener una monocapa durante el recubrimiento por centrifugado, generalmente es necesario diluir la solución stock de nanosferas al 10 por ciento en peso.

Para hacer esto, utilizamos agua limpia y de alta pureza para diluir la solución de nanosferas hasta un cinco por ciento en peso de sólido. Retire las obleas de silicona limpias del sistema de plasma e inspecciónelas en busca de contaminantes como polvo o residuos orgánicos. Si una oblea es aceptable, colóquela en el centro del cubreobjetos giratorio e inicie el vacío.

A continuación, configure el cubrimiento por centrifugación a la velocidad, aceleración y tiempo de giro adecuados. Esto variará según el tamaño y la concentración de las nanoesferas de poliestireno utilizadas. En este caso, configure el cubrimiento por centrifugación a 3.000 rpm, 2.000 rpm por segundo, durante un minuto para obtener una cobertura en monocapa.

Tomando una solución diluida de nanoesferas, use una jeringa de plástico para extraer aproximadamente un mililitro de la solución. Luego, fije un filtro de cinco micrones en el extremo de la jeringa. Esto ayudará a eliminar cualquier aglomerado que pueda afectar negativamente la calidad de la película autoensamblada.

Sostenga la jeringa sobre el espinotrón más robusto y presione el émbolo hasta que se libere una gota de la solución de nanoesferas. Luego, con un movimiento fluido, dispense suficiente solución en el centro de la oblea hasta que aproximadamente 2/3 de esta queden cubiertos. Cierre la tapa e inicie el ciclo de centrifugado.

Espere hasta que se haya completado el ciclo de centrifugado, luego libere el vacío, abra la tapa y retire la oblea. Limpie el interior del centrifugador, asegurándose de eliminar cualquier solución excesiva de nanosferas. Antes de continuar, es esencial evaluar la calidad de la película depositada por centrifugado.

Primero, podemos inspeccionar visualmente, buscando defectos causados por burbujas de aire, polvo o aglomerados. Luego, podemos utilizar microscopía óptica para evaluar más detalladamente la calidad de la película. Después de encender la fuente de luz y colocar la muestra bajo el objetivo, podemos evaluar claramente la calidad de la película, incluyendo la formación de multicapas, defectos u orificios.

En estas imágenes, observamos una película de alta calidad, una película que contiene múltiples capas y una película que presenta orificios. La técnica final para evaluar la calidad de la película consiste en utilizar microscopía electrónica de barrido. Esto nos permite visualizar la película a escala nanométrica.

Después de evaluar la calidad de la película, ahora es necesario recocer las nanoesferas sobre el sustrato. Coloque el sustrato en un horno a 107 grados Celsius durante aproximadamente dos minutos. Retire el sustrato del horno y déjelo enfriar brevemente a temperatura ambiente.

A continuación, transfiera el sustrato recocido al sistema de plasma para el grabado. Configure el sistema de plasma en 75 vatios, 20 SCCM de oxígeno y 175 segundos de tiempo de grabado. Inicie el flujo de oxígeno.

Espere hasta que la presión se estabilice e inicie el plasma de RF. Como se muestra, el plasma de oxígeno ataca isotrópicamente las nanoesferas de poliestireno, dando como resultado un arreglo periódico de esferas uniformemente espaciadas. Después del ataque, deposite una capa intermedia de oro de 29 mediante recubrimiento por pulverización catódica.

Pueden obtenerse estructuras anisotrópicas variando el ángulo de deposición. Para estas muestras, se depositó oro normal al sustrato. Aquí, en la izquierda, se muestra una oblea de dos pulgadas de nanoesferas de poliestireno depositadas por centrifugado.

A la derecha se muestra una oblea tras la deposición de oro. Se utiliza un microespectrofotómetro para medir las propiedades ópticas del arreglo de nanotazas de oro sobre el sustrato de silicona. El pico de resonancia de plasmón se produce aproximadamente a 650 nanómetros.

El paso final de este protocolo consiste en transferir la matriz de nanotazas de oro a una película flexible y conformal. Utilizamos cinta adhesiva transparente sensible a la presión para realizar esta técnica de desprendimiento rápida y sencilla. Tomando una tira de cinta, colóquela cuidadosamente en contacto con el sustrato recubierto de oro.

Es posible que sea necesario eliminar suavemente cualquier burbuja de aire que se haya formado entre la superficie del oblea y la cinta. Una vez que la cinta haya establecido un buen contacto con el sustrato, retire cuidadosamente la cinta. Tras haber retirado completamente la cinta, el resultado es una película flexible y conformada compuesta por nanotazas dispuestas periódicamente.

Mediante este método, se fabricaron películas nano plasmónicas utilizando litografía coloidal, grabado plasmático y metalización, donde las nanoesferas de poliestireno actuaron como una máscara patrón autoensamblada para la deposición de nanotazas metálicas. Los resultados del proceso de fabricación se verificaron mediante microscopía electrónica de barrido. Aquí se muestran las micrografías de la monocapa autoensamblada de nanoesferas de poliestireno, las nanoesferas grabadas y las nanotazas tras la deposición del metal.

Las propiedades ópticas de estas películas incluyen una buena transmisión de luz hasta aproximadamente 70 % en el espectro visible, manteniendo al mismo tiempo una resonancia de plasmón claramente identificable. La litografía coloidal es una técnica rápida y potencialmente de bajo costo para fabricar películas nano plasmónicas. Esta técnica solo requiere equipo comúnmente disponible y las películas nano plasmónicas pueden prepararse en solo unas pocas horas.

Aquí, hemos mostrado cómo utilizar esta técnica para fabricar películas compuestas por matrices periódicas de nanotazas de oro con una respuesta plasmónica en el espectro visible. Una vez que domine esta técnica, podrá fabricar una amplia variedad de películas nano plasmónicas con respuestas ópticas tanto en el espectro visible como en el infrarrojo cercano.