Une méthode pour fabriquer des nanostructures d'argent déconnectés en 3D

Résumé

Femtoseconde laser écriture directe est souvent utilisé pour créer en trois dimensions (3D) des modèles dans des polymères et des verres. Cependant, les métaux modelage en 3D reste un défi. Nous décrivons une méthode pour fabriquer des nanostructures d'argent intégrés dans une matrice polymère à l'aide d'un laser femtoseconde centré à 800 nm.

Résumé

La boîte à outils comprend des techniques de nanofabrication norme visant principalement à créer des patrons 2D dans les milieux diélectriques. Création de motifs métalliques sur une échelle submicronique nécessite une combinaison d'outils de nanofabrication et plusieurs étapes de traitement des matériaux. Par exemple, des mesures pour créer des structures métalliques planes en utilisant la photolithographie UV et lithographie électronique peut inclure l'exposition de l'échantillon, le développement de l'échantillon, dépôt de métal, et le décollage de métal. De créer des structures métalliques 3D, la séquence est répétée plusieurs fois. La complexité et la difficulté de l'empilage et l'alignement des calques multiples limite les applications pratiques de structuration métal 3D à l'aide des outils de nanofabrication standard. Femtoseconde laser écriture directe est apparue comme une technique de pré-éminente pour la nanofabrication 3D. ^1,2 lasers femtoseconde sont souvent utilisés pour créer des modèles 3D dans des polymères et des verres ^3-7. Cependant, métal 3D directe d'écriture reste un défi. Ici, nousdécrivent un procédé pour fabriquer des nanostructures d'argent incorporés dans une matrice polymère en utilisant un laser femtoseconde centré à 800 nm. Le procédé permet la fabrication de modèles non réalisables à l'aide d'autres techniques, telles que des tableaux de voxels 3D en argent déconnectés. ⁸ modèles 3D déconnectée métalliques sont utiles pour métamatériaux où des cellules unitaires ne sont pas en contact les uns avec les autres, tels que le métal ⁹ à couplage point ^{10, 11} ou tige métallique couplé ^12,13 résonateurs. Les applications potentielles incluent métamatériaux indice négatif, capes d'invisibilité, et des lentilles parfaites.

Dans femtoseconde-laser d'écriture directe, la longueur d'onde laser est choisie de telle sorte que les photons sont pas linéairement absorbé dans le milieu cible. Lorsque la durée d'impulsion laser est comprimé à l'échelle de la femtoseconde et la radiation est très focalisé dans la cible, l'intensité très élevée induit une absorption non linéaire. Photons sont absorbés simultanément plusieursment de provoquer des transitions électroniques qui conduisent à une modification matérielle dans la région ciblée. En utilisant cette approche, on peut former des structures dans la masse d'un matériau plutôt que sur sa surface.

La plupart des travaux sur l'écriture de métal 3D directe a mis l'accent sur ​​la création de structures métalliques autoporteurs. ^14-16 La méthode décrite ici donne les structures d'argent sous-micrométriques qui n'ont pas besoin d'être auto-prise en charge car elles sont noyées dans une matrice. Une matrice de polymère dopé est préparé en utilisant un mélange de nitrate d'argent (AgNO _3), la polyvinylpyrrolidone (PVP) et de l'eau (H ₂ O). Les échantillons sont ensuite structurée par irradiation avec un laser femtoseconde 11-50-MHz produire des impulsions fs. Au cours de l'irradiation, photoréduction des ions argent est induite par l'absorption non linéaire, la création d'un agrégat de nanoparticules d'argent dans la région focale. En utilisant cette approche, nous créer des motifs d'argent intégrés dans une matrice dopée PVP. Ajout de la traduction en 3D de la sample s'étend le motif à trois dimensions.

Protocole

1. Préparation métal-ion polymère dopé Film

1. Mesure 8 ml d'eau dans un bécher.
2. Ajouter 206 mg de PVP à l'eau. Mélanger à l'aide agitateur magnétique ou vortex jusqu'à ce que la solution soit limpide.
3. Ajouter 210 mg de AgNO ₃ à la solution. Mélanger à l'aide agitateur magnétique ou vortex jusqu'à ce que la solution est claire.
4. Manteau lame de verre avec une solution par coulée goutte.
5. Lame de verre lieu à un ensemble four à 100 ° C. Cuire l'échantillon pendant 30 min.
6. Retirer l'échantillon du four et laisser refroidir pendant 30 minutes.

2. Fabrication d'ouvrages en argent déconnectés

1. Aligner configuration illustrée à la figure 1 sur la table optique avec plots anti-vibratiles.
2. Réglez le compresseur d'obtenir des impulsions de 50 fs après objectif de microscope.
3. Réglez les filtres de densité neutre pour obtenir le 3-nJ impulsions après l'objectif.
4. Veiller à la taille du spot laser est plus grande que l'ouverture arrière de l'objectif de microscope.
5. Définir modulateur acousto-optique pour produire des fenêtres d'exposition 10-ps au cours de laquelle l'échantillon est irradié.
6. Bloquer le faisceau laser avant qu'il n'atteigne l'échantillon de microscope et la placer sur l'axe 3-étage de translation. Le trajet du faisceau des impulsions laser femtoseconde doit passer à travers l'objectif du microscope et d'imagerie dans l'échantillon.
7. Mettez la source d'illumination microscope pour observer l'échantillon in situ en utilisant une caméra CCD.
8. Traduire l'axe z de l'étape de trouver l'interface entre le substrat en verre et un film polymère. Puis, recentrer microscope à la profondeur souhaitée à l'intérieur de polymère d'un motif de fond la plus-couche. Z-translation lors de motif doit être dans la direction s'éloignant de l'interface verre-polymère pour éviter la diffusion des structures fabriquées.
9. Débloquer un faisceau laser et un ensemble de commande de mouvement logiciel pour traduire échantillon en x -, y - z et - la route à une vitesse de 100 um / sec. Irradier voxels simples de 10 microsecondes d'unnd séparés voxels voisins par au moins plusieurs micromètres pour clairement in-situ d'imagerie. Réglage acousto-optique modulateur taux de répétition de 25 Hz produira 4-um espacement. Les zones exposées au laser contiendra des structures d'argent.

Résultats

Le modulateur acousto-optique et les filtres de densité neutre (figure 1) permettent de contrôler une quantité d'énergie déposée dans l'échantillon. Avec une exposition de 110 impulsions par voxel et 3 nJ par impulsion, avec l'étape de traduction à 100 um / s, les structures résultantes d'argent sont facilement visibles au microscope optique in-situ. La baisse des niveaux d'exposition au laser (en réduisant l'énergie d'impulsion et / ou le nombre d'impulsions) co...

Discussion

La clé du processus est l'obtention d'une matrice diélectrique dopée qui permet la fabrication de haute résolution, mais ne se dégrade pas rapidement après la préparation. Un simple mélange de PVP, AgNO ₃ et H ₂ O permet la création de nanostructures d'argent à haute résolution qui sont incorporés dans une matrice de support. La variation de la PVP à AgNO ₃ taux changera l'énergie laser requise pour la fabrication et les propriétés potentiellement d'autres caractérist...