Fabrication de tableaux de Nanocup or périodique à l’aide de lithographie colloïdale

L'objectif général de cette procédure est de fabriquer et de caractériser des réseaux périodiques de nanocoupes en or à l'aide d'une technique simple et peu coûteuse appelée lithographie colloïdale. Les nanocoupes ou les nanocouches en or possèdent des propriétés optiques uniques qui trouvent des applications dans des domaines tels que l'optique non linéaire, les métamatériaux et la détection chimique. Dans cette vidéo, vous apprendrez à fabriquer des films nanostructurés plasmoniques flexibles et transparents à l'aide d'une technique peu coûteuse fondée sur l'auto-assemblage de nanosphères de polystyrène hautement monodisperses.

Cette approche présente l'avantage d'être évolutible par rapport aux procédés en série tels que la lithographie EUV. Ces films, constitués de réseaux périodiques de nanocoupes ou de nanogaines en or, trouvent des applications allant de la détection chimique à l'indication d'inviolabilité, en passant par le photovoltaïque. En outre, il est simple d'ajuster la résonance plasmonique de ces films, du visible jusqu'au proche infrarouge, selon l'application souhaitée.

Ce vidéo décrira la fabrication de réseaux de nanocoupes en or sur un substrat sacrificiel en silicone, la caractérisation optique des structures obtenues, et le transfert des films vers un film adhésif transparent. Tout d'abord, placez plusieurs tranches de silicone dans un porte-échantillon en quartz pour un nettoyage au plasma. Cela garantit une surface propre et hydrophile, essentielle à l'auto-assemblage des nanosphères polymériques.

Ensuite, placez le support en quartz dans le système de plasma et lancez le vide. Le système a été configuré pour un nettoyage par plasma d'oxygène de 250 watts pendant 15 minutes, avec un débit de 30 SCCM d'oxygène. Pendant que les tranches de silicium subissent le nettoyage par plasma, retirez la solution de nanosphères de polystyrène du réfrigérateur et laissez-la atteindre la température ambiante.

Pour aider à garantir une solution uniforme, mélangez brièvement la solution par vortex pendant une minute. Ensuite, soumettez la solution à une sonication pendant une minute. Afin d'obtenir un monocouche lors du dépôt par rotation, il est généralement nécessaire de diluer la solution stock de nanosphères à 10 % en poids.

Pour ce faire, nous utilisons de l'eau propre et de haute pureté afin de diluer la solution de nanosphères à un solide de cinq pour cent en poids. Retirez les tranches de silicium propres du système à plasma et examinez-les à la recherche de contaminants tels que la poussière ou des résidus organiques. Si une tranche est acceptable, fixez-la au centre du dispositif de rotation et activez le vide.

Ensuite, régler le coupleur de rotation à la vitesse, à l'accélération et au temps de rotation appropriés. Ces paramètres varieront selon la taille et la concentration des nanosphères de polystyrène utilisées. Dans ce cas, régler le coupleur de rotation à 3 000 tr/min, 2 000 tr/min par seconde, pendant une minute afin d'obtenir une couverture en monocouche.

Prendre une solution diluée de nanosphères et, à l’aide d’une seringue en plastique, prélever environ un millilitre de la solution de nanosphères. Ensuite, fixer un filtre de cinq microns à l’extrémité de la seringue. Cela permettra d’éliminer les éventuels agglomérats qui nuiraient à la qualité du film auto-assemblé.

Tenez la seringue au-dessus du dispenseur de spin coater le plus robuste et appuyez sur le piston jusqu'à ce qu'une goutte de solution de nanosphères soit libérée. Ensuite, d'un mouvement fluide, déposez suffisamment de solution au centre de la plaquette jusqu'à ce qu'environ les 2/3 de celle-ci soient recouverts. Fermez le couvercle et démarrez le cycle de rotation.

Attendre la fin du cycle de rotation, puis relâcher le vide, ouvrir le couvercle et retirer la plaquette. Nettoyer l'intérieur du dispositif de dépôt par rotation, en veillant à éliminer toute solution excédentaire de nanosphères. Avant de poursuivre, il est essentiel d'évaluer la qualité du film déposé par rotation.

Tout d'abord, nous pouvons inspecter visuellement à la recherche de défauts causés par des bulles d'air, de la poussière ou des agglomérats. Ensuite, nous pouvons utiliser la microscopie optique pour évaluer plus précisément la qualité du film. Après avoir allumé la source lumineuse et placé l'échantillon sous l'objectif, nous pouvons clairement évaluer la qualité du film, notamment la formation de multicouches, les défauts ou les trous.

Dans ces images, on observe un film de haute qualité, un film composé de plusieurs couches, et un film présentant des trous. La dernière technique permettant d'évaluer la qualité du film consiste à utiliser la microscopie électronique à balayage. Cela nous permet de visualiser le film à l'échelle nanométrique.

Après avoir évalué la qualité du film, nous devons maintenant recuire les nanosphères sur le substrat. Placez le substrat dans un four à 107 degrés Celsius pendant environ deux minutes. Retirez le substrat du four et laissez-le refroidir brièvement à température ambiante.

Ensuite, transférez le substrat recuit vers le système au plasma pour la gravure. Réglez le système au plasma sur 75 watts, 20 SCCM d'oxygène et un temps de gravure de 175 secondes. Démarrez l'écoulement d'oxygène.

Attendre que la pression soit stabilisée, puis initier le plasma RF. Comme illustré, le plasma d'oxygène gravit de manière isotrope les nanosphères de polystyrène, produisant un réseau périodique de sphères uniformément espacées. Après la gravure, déposer une couche intermédiaire de 29 d'or par revêtement par pulvérisation cathodique.

Des structures anisotropes peuvent être obtenues en faisant varier l'angle de dépôt. Pour ces échantillons, de l'or a été déposé perpendiculairement au substrat. À gauche ici est représenté un wafer de deux pouces recouvert de nanosphères de polystyrène déposées par centrifugation.

À droite se trouve une plaquette après dépôt d'or. Un microspectrophotomètre est utilisé pour mesurer les propriétés optiques du réseau de nanocoupes d'or sur le substrat en silicone. Le pic de résonance plasmonique se produit à environ 650 nanomètres.

La dernière étape de ce protocole consiste à transférer le réseau de nanotasses en or vers un film flexible et conforme. Nous utilisons un ruban adhésif transparent sensible à la pression pour réaliser cette technique de retrait rapide et simple. Prenez une bande de ruban et placez-la soigneusement en contact avec le substrat recouvert d'or.

Vous pouvez constater qu'il est nécessaire de retirer délicatement les bulles d'air éventuelles qui se seraient formées entre la surface de la plaquette et le ruban. Une fois que le ruban adhère bien au substrat, décollez doucement le ruban. Une fois que le ruban a été complètement retiré, on obtient un film flexible et conforme composé de nanocoupes disposées de manière périodique.

En utilisant cette méthode, des films plasmoniques nanométriques ont été fabriqués par lithographie colloïdale, gravure plasma et métallisation, les nanosphères de polystyrène servant de masque modèle auto-organisé pour le dépôt de nanocoupes métalliques. Les résultats du processus de fabrication ont été vérifiés par microscopie électronique à balayage. Ici, nous observons les micrographies de la monocouche auto-organisée de nanosphères de polystyrène, des nanosphères gravées et des nanocoupes après dépôt métallique.

Les propriétés optiques de ces films incluent une bonne transmission de la lumière atteignant environ 70 % dans le spectre visible, tout en conservant une résonance plasmonique clairement identifiable. La lithographie colloïdale est une technique rapide et potentiellement peu coûteuse pour fabriquer des films nano-plasmoniques. Cette technique ne nécessite que du matériel couramment disponible, et les films nano-plasmoniques peuvent être préparés en quelques heures seulement.

Ici, nous avons montré comment utiliser cette technique pour réaliser des films constitués de réseaux périodiques de nanotasses en or présentant une réponse plasmonique dans le spectre visible. Une fois cette technique maîtrisée, vous serez en mesure de fabriquer une grande variété de films nano-plasmoniques ayant des réponses optiques dans le domaine visible ainsi que dans le proche infrarouge.