הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

Nanomoulding של חומרים תפקודיים, שיטה תכליתית משלימת תבנית שכפולה לnanoimprinting

11.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/50177

⸱

23 בינואר 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Microengineering (IMT), Photovoltaics and Thin Film Electronics Laboratory, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley

במאמר זה

סיכום

אנו מתארים טכניקה המאפשרת nanomoulding דפוסי ננו עלות הנמוכה של חומרים תפקודיים, ערמות חומרים והתקנים מלאים. Nanomoulding ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting וניתן ליישום למגוון רחב של חומרים ותהליכים בתצהיר.

תקציר

אנו מתארים טכניקה המאפשרת nanomoulding דפוסי ננו עלות הנמוכה של חומרים תפקודיים, ערמות חומרים והתקנים מלאים. Nanomoulding שילוב עם העברת שכבה מאפשר את שכפול דפוסי משטח שרירותיים ממבנה ראשי על החומרים תפקודיים. Nanomoulding ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting וניתן ליישום למגוון רחב של חומרים ותהליכים בתצהיר. בפרט אנו להדגים את הייצור של תחמוצת אבץ אלקטרודות שקופות עבור יישומי דוגמת השמנת אור בתאים סולאריים.

מבוא

Nanopatterning צבר חשיבות עצומה בתחומים רבים של ננוטכנולוגיה ומדעים שימושיים. דור דפוס הוא הצעד הראשון ויכול להתבצע על ידי גישות מלמעלה למטה כגון ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים או גישות מלמטה למעלה מבוססת על שיטות הרכבה עצמית כגון ליתוגרפיה nanosphere או קופולימר 1 יתוגרפיה בלוק. חשוב כמו דור דפוס הוא שכפול דפוס. חוץ photolithography, nanoimprinting (איור 1) התגלתה כחלופה מבטיחה במיוחד מתאימה לדפוסי ננו תפוקה גבוהה, שטח גדול בעלות הנמוכה 2-4. בעוד photolithography דורש מסכת דוגמת, nanoimprinting מסתמכת על מבנה ראשי טרומי. העברת תבנית מהאדון מבוצעת בדרך כלל לתרמופלסטיים או פולימר-UV או תרמית הניתן לריפוי. עם זאת יש מקרים רבים, שבו הוא רצוי להעביר את התבנית ישירות על גבי חומרים תפקודיים.

<כיתת p = "jove_content"> כאן אנו מתארים שיטת שכפול מבוססת על nanomoulding ושכבת העברה (איור 2) שהצגנו לאחרונה במס. 5 להעביר דפוסים ננומטריים גבי אלקטרודות תחמוצת אבץ פונקציונליות. שיטת nanomoulding יכולה להיות מיושמת בקלות אם התקנת nanoimprinting זמינה. Nanomoulding מציע פוטנציאל להיות כוללני לחומרים רבים אחרים פונקציונליים, ערימות חומרים ומכשירים אפילו מלאים, ובלבד שחומר העובש נבחר כך שהוא תואם את תהליך הדחת החומר (ES). כדוגמה כאן נכחה nanomoulding של תחמוצת אלקטרודות שקופות מוליך אבץ (ZnO) הופקדו על ידי בתצהיר כימי אדים (CVD) אשר מוצא היישום שלהם כדי לשפר את לכידת אור בתאים סולריים 5.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. ייצור Mould

אנו משתמשים בהגדרת nanoimprinting בית הבנויה שלנו עבור הייצור של המס הבא העובש השלילי. 6, אבל כל התקנת nanoimprinting חלופה תעבוד בסדר. לחלופין polydimethylsiloxane עובש פונקציונלי (PDMS) גם יכול לעבוד.

  1. לפברק או לקנות אדון מתאים נושא את דפוס ננו להעברה. בעיקרון, כל אמן מתאים לnanoimprinting יעשה את העבודה. אנו משתמשים בשכבת מרקם ZnO בגיליון זכוכית (שוט, AF32 אקולוגי, 41 מ"מ x 41 מ"מ x 0.5 מ"מ) הופקדה כמתואר בסעיף 3.1 כמבנה ראשי כדי להמחיש את השיטה.
  2. החל שכבה אנטי הידבקות במבנה הראשי, כמתואר ב2.
  3. נקה פוליאתילן naphtalate גיליון (PEN) (גודפלו, 82 מ"מ x 41 מ"מ x 0.125 מ"מ) באמבט אצטון קולי עבור 2 דקות אחרי אמבטית isopropanol אולטרסאונד ל2 דקות יותר. לשטוף פעם נוספת עם isopropanol ולפוצץ יבש עם חנקן.
  4. ההפקדה גמגמה שכבת הדבקת Cr (ננומטר 5-10) בגיליון העט.
  5. ספין מעייל השרף UV לריפוי (Microresist, Ormocer, 1-2 מ"ל) בגיליון PEN ב5000 סל"ד כדי לקבל כיסוי אחיד.
  6. בצע prebake למשך 5 דקות על צלחת חמה ב 80 ° C להתאדות הממס, לשפר את אחידות סרט דבק כדי הגיליון העט.
  7. השתמש בהגדרת nanoimprinting להחתים את דפוס האדון לשרף UV לריפוי. אמנם לא חובה, אנו מבצעים החתמה תחת ואקום כדי למנוע תכלילים בועה על ידי יישום לחץ הומוגנית של בר 1 על קרום סיליקון גמיש. בהגדרה שלנו, קרום סיליקון מפריד תא הוואקום לשני תתי מדורים. לחץ שנוצר על ידי אוורור התא העליון, ואילו התא התחתון נשאר תחת ואקום. אוורור דוחף את הקרום הגמיש כלפי תחתית ייזום ההטבעה.
  8. לחשוף את השרף לאור UV כדי לעורר תגובה נגדית-linking של השרף. אנו מיישמים אור מתוןעצמה של 1.4 mW / 2 סנטימטר באורך גל של 365 ננומטר הניתן על ידי כמה נוריות. זמן חשיפה באמצעות גיליון PEN הוא בדרך כלל דקות 15-20.
  9. demould בקפידה על ידי קילוף העובש מעל המבנה הראשי באופן ידני.
  10. כשרף עשוי לעבור התכווצות קלה במהלך בתצהיר של החומר הפונקציונלי, שעלול להוביל לקילוף ספונטני, אנו מבצעים לאפות הודעת תרמית קלה ב 150 מעלות צלזיוס במשך 6-8 שעות בתנור עם אווירת סביבה לפני עיבוד נוסף.

2. שכבה נגד הידבקות

לdemoulding המוצלח, השכבה אנטי הידבקות צריכה להיות מותאמת לחומרים וחספוס הדפוס. דפוסים בדרך גלם דורשים מקדמים בולטים נמוכים. מקדמים בולטים נמוכים על דפוסים חלקים עלולים להוביל לקילוף של החומר הפונקציונלי מהעובש. מקדמים בולטים גבוהים על דפוסים גסים עלולים לגרום לקילוף של השרף מגיליון PEN במהלך ייצור עובש כadherenהספירה של השרף להורים היא חזקה יותר.

  1. מעייל העובש (או אב) עם גמגם כרום שכבה (ננומטר 5-10) כדי לקדם את ההידבקות של הסוכן אנטי הידבקות. לדפוסים חלקים שאנחנו משכיבים את הצעד הזה. במקרים מסוימים שכבת הכרום עשויה למנוע סוכן אנטי הידבקות כדי לחרוט את המבנה הראשי.
  2. תחול ירידה קטנה סוכן אנטי הידבקות של (סיגמה אולדריץ, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) בשקופית זכוכית. שים את שקופיות הזכוכית יחד עם העובש לתוך תא ואקום ולשאוב למטה. הסוכן אנטי ההידבקות יתאדה ולהפקיד כmonolayer מולקולרי בעובש.
  3. לעגן הסוכן אנטי הידבקות דרך החישול במהלך 1-2 שעות ב 80 ° C.

3. הפקדת חומר

אנו מראים כאן שלוש טכניקות בתצהיר מתאימות לתצהיר חומר כדי להמחיש את הרבגוניות של nanomoulding. טכניקות בתצהיר אחרות עלולות גם להיות מיושמות. הדוגמא השלישית מתארת ​​fabrication של תא שלם סרט דק שמש סיליקון.

  1. תצהיר כימי אדים (CVD) של תחמוצת אבץ: לשים את התבנית על צלחת החימום של כור CVD המחוממת ל 180 מעלות השתמש במסגרת מתכת כדי למנוע כיפוף של עובש PEN במהלך בתצהיר ZnO. סגור את הכור, לשאוב למטה ולאפשר thermalization. מודה שהגזים המבשרים (H 2 O ו( C 2 H 5) 2 Zn). בנוסף אנו מינון כמויות קטנות של B 2 6 H לסימום. עובי שכבת ZnO הוא פרופורציונלי לזמן בתצהיר. אנו משתמשים בשכבת ZnO עוביים של בדרך כלל 1-5 מיקרומטר. פרטים על פרמטרי תצהירים טיפוסיים ניתן למצוא במס. 7
  2. תצהיר אדים פיסיקליים (PVD) / מקרטע של כסף: שים את התבנית למערכת PVD. סגור את המערכת ולשאוב למטה. תודה גז תהליך ארגון. הפעל את מחולל DC. עובי שכבת Ag הוא שוב פרופורציונלי לזמן בתצהיר. אנו משתמשים בשכבת Ag עובי של 1 מיקרומטר בדרך כלל. עמ תצהיר הטיפוסיarameters הוא לחץ של ארגון 5.5x10 mbar -3 וכוח DC ספציפי התקנה של 250 ואט מניב תצהיר שיעור של כ 45 ננומטר / sec.
  3. משופר פלזמה בתצהיר כימי אדים (PE-CVD): ההפקדה ZnO כמו ב3.1). שים את התבנית לתוך כור PE-CVD המחוממים עד 200 מעלות צלזיוס סגור את הכור, לשאוב למטה ולאפשר thermalization. מודה שהגזים המבשרים (SiH 4 ו-H 2). בנוסף אנו מינון כמויות קטנות של B (3 CH) 3 ו PH 3 להשיג סימום p-n וסוג התאמה. כדי להגביר את מתח המעגל הפתוח של התאים הסולריים, אנחנו משתמשים גם בכמויות קטנות של CH 4 ו-CO 2 לשכבות המסוממות. לאחר הדחתו של ערימת סיכת סיליקון אמורפי תאים הסולרית, שאנו מפקידים backcontact ZnO כמתואר בסעיף 3.1.
  4. הימנע מכיפוף מוגזם של העובש, כמו כיפוף עלולה לגרום לקילוף של השכבה שהופקדה.

4. העברת שכבה

אנו משתמשים glasשקופיות s (שוט AF32 אקולוגי, 41 מ"מ x 41 מ"מ x 0.5 מ"מ) כמצע סופי. אבל מצעים אחרים, כולל foils מתכת או ביריעות פולימריות, יכולים לשמש לחלופין.

  1. שקופיות זכוכית נקיות עם אצטון וisopropanol ומכה יבשה עם חנקן.
  2. ספין מעייל שרף UV לריפוי (Microresist, Ormocer, 1-2 מ"ל) בשקופית הזכוכית ב5000 סל"ד.
  3. השתמש בהגדרת nanoimprinting לעגן העובש נושא את השכבות שהופקדו על המצע הסופי. באשר להטבעה, אנו מבצעים עיגון תחת ואקום על ידי יישום לחץ הומוגנית של בר 1.
  4. לחשוף את השרף לאור UV כדי לעורר תגובה נגדית-linking. אנו מיישמים בעצימות בינוניות של 1.4 mW / 2 סנטימטר באורך גל של 365 ננומטר הניתן על ידי כמה נוריות. זמן חשיפה באמצעות שקופית הזכוכית הוא דקות 1-3 רק בשל העברת UV הגבוהה יותר של זכוכית בהשוואה לעט.
  5. Demould על ידי קילוף העובש מעל שקופית הזכוכית באופן ידני.

5. אפיון מדגם

  1. השתמש בטכניקה שלך האהובה הצורנית, חשמלית או אופטית על מנת לאפיין את דגימות nanomoulded. כאן אנו לאפיין דגימות nanomoulded באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורקים (SEM) ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

איור 3 מסכם כמה דוגמאות להמחשה של מבני nanomoulded. מבנה ראשי ZnO גדל על ידי CVD על זכוכית מוצג ב( א). המקביל nanomoulded ZnO ההעתק מוצג ב( ד). השוואה של הגובה המקומי (ז) והיסטוגרמות זווית (י) שחולצה מן AFM תמונות מגלה נאמנות הגבוהה של תהליך nanomoulding. תוצאות דומות מוצגות לצורמת חד ממדי מפוברק על ידי הפרעות ליתוגרפיה (B, E, H, K) ואלומיניום anodically מרקם (ג, ו, i, יב).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

Nanomoulding מאפשר העברת nanopatterns על חומרים תפקודיים שרירותיים. ההשוואה בין שלבי העיבוד הבודד באיור 1 ו 2 חושפת את הקשר ההדוק בין nanomoulding וnanoimprinting. ההבדל העיקרי בין nanomoulding וnanoimprinting הוא צעד תצהיר חומר נוסף ב2e איור. תהליך הזרימה שנותרה זהה. Nanomoulding לכן ניתן לבצע בכל התקנת nanoimprinting זמינה.

ובלבד שחומר עובש תואם וסוכן אנטי הידב...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

תודות

המחברים מודים מ 'Leboeuf לסיוע עם AFM, וו לי לאדון anodically מרקם האלומיניום ומשרד אנרגיה הפדרלית השויצרי והקרן הלאומי למדע השויצרי לקבלת מימון. חלק מעבודה זו בוצע במסגרת FP7 הפרויקט "מסלול מהיר" ממומן על ידי האיחוד האירופי במסגרת הסכם המענק לא 283501.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שם המגיב חברה מספר קטלוגים תגובות (אופציונלי)
שרף nanoimprinting Microresist Ormostamp
(1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, סוכן אנטי הידבקות סיגמה אולדריץ 448931-10G
שקופיות זכוכית שוט AF32 אקולוגי 0.5 מ"מ
פוליאתילן naphtalate (PEN) גיליונות גודפלו ES361090 0.125 מ"מ
(C 2 H 5) 2 Zn Akzo נובל
Ag גמגום 4N היעד Heraeus 81062165
B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (3 CH) 3, 3 PH, 4 CH, CO 2 מסר
ציוד
Nanoimprinting מערכת בית בנוי
מערכת LP-CVD בית בנוי
PVD מערכת Leybold Univex 450 ב '
כור PE-CVD Indeotec תמנוני
SEM JEOL JSM-7500 TFE
AFM מכשירים דיגיטליים Nanoscope 3100

מקורות

  1. Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
  2. Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
  3. 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).
  4. Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
  9. Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
  10. Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
  11. Escarré, J., Nicolay, S., et al. Nanomoulded front ZnO contacts for thin film silicon solar cell applications. Proceedings of the 27th EU-PVSEC, Frankfurt, , (2012).
  12. Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass. Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

העברת תבניתשיקוע תחמוצת אבץשרף בהקשיה ב-UVשיקוע פאזה כימיתייצור תבנית מאסטרשכבת נוגדת הידבקותטכניקת העברת שכבותשכפול חומרים פונקציונליים
Nanomoulding של חומרים תפקודיים, שיטה תכליתית משלימת תבנית שכפולה לnanoimprinting
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.