ננו-חוטי כסף יכולים להעביר בו זמנית אלקטרונים ומידע אופטי בצורה של פלזמונים על פני השטח. מתואר כאן נוהל למימוש מעגלים משותפים כאלה והמגבלות בהפצת שני נושאי המידע מוערכות.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
ננו-חוטי כסף יכולים להעביר בו זמנית אלקטרונים ומידע אופטי בצורה של פלזמונים על פני השטח. מתואר כאן נוהל למימוש מעגלים משותפים כאלה והמגבלות בהפצת שני נושאי המידע מוערכות.
פלזמוניקה היא טכנולוגיה מתפתחת המסוגלת להעביר בו זמנית אות פלזמוני ואות אלקטרוני על אותו מידעתומך 1,2,3. בהקשר זה, ננו-חוטי מתכת רצויים במיוחד למימוש רשתות ניתוב צפופות4. תנאי מוקדם להפעלת פלטפורמה מבוססת ננו-חוטים משותפת כזו מסתמך על היכולת שלנו ליצור קשר חשמלי עם ננו-חוטי מתכת בודדים ולעורר ביעילות פולריטון פלזמון על פני השטח5 בתמיכת מידע זו. במאמר זה, אנו מתארים פרוטוקול להבאת מסופים חשמליים לננו-חוטי כסף מסונתזים כימית6 המופצים באופן אקראי על מצע זכוכית7. המיקומים של קצוות הננו-חוטים ביחס לציוני דרך מוגדרים מראש ממוקמים במדויק באמצעות מיקרוסקופ שידור אופטי סטנדרטי לפני אנקפסולציה בהתנגדות רגישה לאלקטרונים. תעלות המייצגות את פריסת האלקטרודות מתוכננות לאחר מכן על ידי ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים. לאחר מכן מייצרים אלקטרודות מתכת על ידי אידוי תרמי של שכבת Cr/Au ואחריה הרמה כימית. ננו-חוטי הכסף במגע מועברים לבסוף למיקרוסקופ קרינת דליפה לעירור ואפיון פלזמון פני השטח8,9. פלזמונים על פני השטח משוגרים בננו-חוטים על ידי מיקוד קרן לייזר אינפרא אדום קרובה על נקודה מוגבלת בעקיפה החופפת קצה ננו-חוט אחד5,9. עבור ננו-חוטים גדולים מספיק, מצב פלזמון פני השטח דולף לתוך מצע הזכוכית9,10. קרינת דליפה זו מזוהה, מצולמת ומנותחת בקלות במישורים המצומדים השונים במיקרוסקופ קרינת דליפה9,11. המסופים החשמליים אינם משפיעים על התפשטות הפלזמון. עם זאת, הידרדרות מורפולוגית הנגרמת על ידי זרם של הננו-חוט פוגעת באופן דרסטי בזרימת הפלסמונים על פני השטח. השילוב של מיקרוסקופ קרינת דליפת פלזמון על פני השטח עם ניתוח סימולטני של מאפייני ההובלה החשמלית של ננו-חוטים חושף את המגבלות המהותיות של מעגלים פלזמוניים כאלה.
Plasmonics שואפת למזג אלקטרוניקה ופוטוניקה בתמיכה פיזית משותפת באמצעות תיווך של גל צפיפות אלקטרונים הנקרא פולריטון פלזמון פני השטח1,2,3. פלזמון פני השטח יכול לנוע בגיאומטריות וממשקים שונים של מוליכי גל. ביניהם, ננו-חוטי מתכת רצויים במיוחד. כמבנים מעין חד-ממדיים הם מגבילים באופן דרסטי את שדה הפלסמון לסולם תת-אורכי גל עמוק תוך שהם פועלים כחיבורים חשמליים המסוגלים לקיים זרימת אלקטרונים כפי שמתואר בשרטוט האמנותי של איור 1.
גם התפשטות פלזמון פני השטח וגם הובלת אלקטרונים רגישים לאי-הומוגניות מבנית של הננו-חוט (למשל קיפולים, פגמים גבישיים וכו'). מכיוון שהם יכולים לגדול כגביש יחיד עם מעט פגמים, ננו-חוטי מתכת מסונתזים כימית6 מספקים בדרך כלל ביצועי הובלה משופרים על פני ננו-חוטי מתכת אמורפיים המיוצרים בגישות מלמעלה למטה (למשל ליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים)12. מימוש תא יחידת רשת פלזמוני דורש העברת הננו-חוטים מתמיסה קולואידית למצע זכוכית. ללא כל דפוס מורכב ספציפי כמו פונקציונליזציה של פני השטח13 או טכניקות הרכבה עצמית14, ננו-חוטים מכוונים בדרך כלל באופן אקראי על המצע. התפלגות בלתי מבוקרת זו של כיוונים מסבכת באופן דרסטי את החיבור החשמלי של הננו-חוט למקור כוח חיצוני.
במאמר זה, ננו-חוטי כסף מסונתזים כימית בעלי אוריינטציה אקראית מתקשרים בהצלחה על ידי מסופי חשמל מקור וניקוז. לשם כך משולבת מיקרוסקופיה אופטית עם ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים כדי לאתר במדויק את הננו-חוט וליצור מגעים חשמליים15,16. מתואר הליך אפיון המעריך את הביצועים האלקטרו-פלזמוניים של המעגלים. לאחר ייצור האלקטרודות, הננו-חוטים במגע מועברים למיקרוסקופ קרינת דליפת פלזמון על פני השטח לניתוח ההשפעה של זרימת אלקטרונים על התפשטות פלזמונים על פני השטח. המיקרוסקופ משתמש בבסיס הפוך המצויד באובייקט טבילה בשמן עם צמצם מספרי גבוה ושתי מצלמות התקן מצמד מטען (CCD) הממוקמות במישור האובייקט המצומד ובמישור פורייה המצומד, בהתאמה. שני המישורים המצומדים הללו מספקים מידע משלים על תכונות הפלזמון של פני השטח. פרטי ההתפשטות מוסקים ישירות מניתוח מישור התמונה, בעוד שהתפלגות המומנטום מוצגת על ידי הדמיית מישור פורייה9.
פלזמונים על פני השטח נרגשים בננו-חוט בודד על ידי מיקוד קרן לייזר קרובה לאינפרא אדום בנקודה מוגבלת בעקיפה בממשק הזכוכית/אוויר. כאשר קצה ננו-חוטים מיושר בתוך אזור המוקד, אור הלייזר המפוזר יוצר התפלגות רחבה של וקטורי גל, חלקם מהדהדים עם עירור של פלזמון פני השטח. התפשטות גל פני השטח הזה מודמית על ידי איסוף הדליפה של המצב הנפלט במצע או על ידי התבוננות בפלזמון המפוזר בקצה הדיסטלי של הננו-חוטים. אורך ההתפשטות והאינדקס האפקטיבי של מצב הפלזמון של פני השטח הדולפים נמדדים על ידי ניתוח התפלגות העוצמה במיקרוסקופ קרינת דליפה דו-מישורית.
ברגע שמתפתח פלזמון פני השטח בננו-חוט, מסופי הניקוז והמקור בכל קצה של הננו-חוט מחוברים לאספקת מתח מווסת. מצלמות ה-CCD מנטרות בזמן אמת את תכונות הפלזמון של פני השטח כפונקציה של הזרם הזורם דרך הננו-חוט. עבור כל ערך של מאפיין ההעברה החשמלית, נקבעים האינדקס האפקטיבי ואורך ההתפשטות של מצב הפלזמון פני השטח. הליך זה מאפשר להעריך את המגבלה של מעגל מבוסס ננו-חוטים כדי לקיים בו זמנית את הובלת האלקטרונים והפלזמונים7.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. סינתזה של תמיסה קולואידית של ננו-חוטי כסף
ננו-חוטי כסף (Ag NWs) עם משטח חלק ומבנה הומוגני מסונתזים בשיטה בסיוע פוליאולים שונה6. בסינתזה טיפוסית של Ag NWs, ההליכים הבאים מתבצעים שלב אחר שלב:
2. הכנת ציוני דרך מקרוסקופיים על מצע זכוכית על ידי ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים
3. שקיעת הננו-חוטים על המצע
4. איתור הננו-חוטים על ידי מיקרוסקופ אופטי
5. ייצור האלקטרודות על ידי ליתוגרפיה של קרן אלקטרונים, אידוי תרמי והרמה כימית
6. העברה למיקרוסקופ קרינת דליפת פלזמון על פני השטח
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
איור 2(a) מציג מיקרוגרף של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק של ננו-חוט Ag טיפוסי באורך 10 mm שסונתז באמצעות הפרוטוקול שפורט לעיל. רוחב הננו-חוט הוא כאן 200 nm, כפי שניתן לראות בתצוגת התקריב של הקצה השמאלי באיור 2(b). האיור מראה בבירור את הסימטריה החמיסית של צמיחת הגביש. אין פגמים נראים על פני השטח של הננו-חוט (למשל קיפולים, חלקיקים, וכו'). הסינתזה מובילה להתפלגות רחבה של אורכי ורוחבי ננו-חוטים. ננו-חוטים קצרים וקטנים יותר נראים בבירור מסביב לחוט העבה ביותר באיור 2(a)
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הסינתזה משתמשת בעודף של חומר פעילי שטח כימי שנותר קשור לפני השטח של הננו-חוט כפי שמוצג במיקרוגרף אלקטרוני ההולכה באיור 9(א). שכבה זו יוצרת מחסום דיאלקטרי המונע מהזרם לזרום דרך ממשק האלקטרודה-ננו-חוט. איורים 10(א) ו- (ב) מציגים דוגמאות אופייניות למאפייני מתח-זרם. צעדי זרם חדים בהטיות מסוימות מנקדים את העקומות. שלבים אלה מתרחשים כאשר צפיפות הזרם בננו-חוט גדולה מספיק כדי להרוס פיזית את שכבת פעילי השטח. מגע אוהמי בין האלקטרודות לננו-חוט נוצר לרוב לאחר שלב אחד עד שלושה צעדים....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.
המחקר שהוביל לתוצאות אלה קיבל מימון ממועצת המחקר האירופית במסגרת תוכנית המסגרת השביעית של הקהילה האירופית FP7/2007-2013 הסכם מענק מס' 306772 ומענק ERC-2007-StG מס' 203872-COMOSYEL. עבודה זו ממומנת גם בחלקה על ידי הסוכנות הלאומית למחקר (ANR) תחת Grant Plastips (ANR-09-BLAN-0049). א.ס. מודה למלגת פוסט-דוקטורט מ-Région de Bourgogne במסגרת תוכנית PARI. MS מכיר במלגה ממועצת המלגות הסינית. ד.ז. מודה על תמיכת הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין במענקים 11004182 ו-61036005.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| DMEM | Invitrogen | ABCD1234 | |
| אתילן גליקול (EG) | סינופארם ריאגנט כימי ושות', בע"מ | T20111130 | |
| PMMA | Allresist | AR-P 679 | |
| אצטון אנלר נורמאפור | VWR Prolabo | 20066.296 | |
| איזופרופנול (IPA) אנלר נורמאפור | VWR Prolabo | 20842.298 | |
| AgNO3 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 20080826 | |
| פולי-(וינילפירולידון) (PVP) | Aladdin Chemistry Co., Ltd | 1041671-31744 | |
| Dimethysilicone | Sinopharm Group Company Limited | H201-500 | |
| פרופילן גליקול מתיל אתר אצטט | מיקרוכימיקלים Gmbh | AZ EBR | |
| מיקרוסקופ אופטי הפוך | Nikon | TE 2000 | |
| מיקרוסקופ אובייקטיבי | Nikon | 1.49/100X TIRF Plan-Apo | |
| CCD מצלמות (2x) | Andor | Luca-S | |
| ספק כוח מוסדר | RHK | SPM 1000 | |
| נתוני רכישה | RHK | SPM 1000 | |
| ממיר זרם למתח | תוצרת בית | רווח 10 mA/V | |
| קרן אלקטרונים מיקרוסקופ | JEOL | FEG 6500 | |
| תוסף ליטוגרפיה | RAITH | Elphy | |
| Spincoater | PRIMUS | STT15 | |
| מאייד תרמי | PLASSYS | MEB 400 | |
| מיקרומטר שלב בדיקה (2x) | SÜ SS MicroTec | PH110 | |
| שלב פיזואלקטרי | Mad City Labs | Nano LP100 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.