שיטה לפברק ננו כסף המנותק ב-3D

פרוטוקול זה מפרט את ייצורן של מבני כסף בתוך מטריצת פולימר בתלת-ממד באמצעות לייזר פמטושנייה; התהליך מתחיל בערבוב של PVP וכסף חנקתי במים כדי להפיק יוני כסף בתוך מטריצת פולימר; מצפים פרוסת זכוכית בתמיסה זו ומייבשים בתנור כדי ליצור שכבת פולימר עבה המעששרת ביוני כסף; לאחר מכן מקרינים את שכבת הפולימר בפולסים של לייזר פמטושנייה על מנת לגדל מבני כסף בתוך הפולימר. תוצאות אנליטיות ממיקרוסקופיה אופטית וממיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת מראות את צמיחת מבנה הכסף בנפחים של הדגימה שהוקרנו בלייזר. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות אחרות, כגון פוטוליתוגרפיה ב-UV, הוא שכתיבה ישירה בלייזר פמטושנייה יכולה ליצור מבנים פנימיים בשלב אחד, והיא יכולה לעשות זאת בתלת-ממד.

המפתח לתהליך זה הוא שילוב של ריאגנטים כימיים בדגימה, שכן הוא מגביל את צמיחת הכסף לנפח שנקבע על ידי הלייזר. יישום אחד של שיטה זו כולל ייצור תלת-ממדי של חומרי מטא איזוטרופיים ממתכת ודיאלקטריק עבור אורכי גל באינפרא-אדום ובטווח האופטי. מדדו שמונה מיליליטר של מים בכלי ביקר.

הוסיפו 206 milligrams של polyvinyl perine וערבבו עד שהתמיסה תהיה צלולה. לאחר מכן, הוסיפו 210 milligrams של silver nitrate והמיסו באמצעות ערבוב. כעת, בעזרת ציפוי בטפטוף (drop casting), צפו למסליות זכוכית בתמיסת הכסף, ואפו את למסליות הזכוכית בתנור בטמפרטורה של 100 °C למשך 30 דקות.

הוצא את השקופיות שעברו טיפול וקרר אותן למשך 30 דקות. המערך האופטי כולל לייזר טיטניום-ספיר, מבודד פאראדיי, דחס פולסים, מודולטור אופטי מסוג kuo, מסנן indie, מיקרוסקופ שנבנה במעבדה עם מצלמת CCD ובמה העברה בעלת שלושה צירים. כוון את קרן הלייזר לאורך כל נתיב המיקרוסקופ.

העדשה אובייקטיבית למתקן הדגימה. כל המערך צריך להיות על שולחן אופטי עם מבודדי רעידות. כווננו את הדחס (compressor) כדי לקבל פולסים של 50 femtosecond לאחר העדשה האובייקטיבית של המיקרוסקופ.

כמו כן, כווננו את מסנני הצפיפות הניטרלית כדי להשיג שלושה פולסים כפולים של ננו-שניות. לאחר העדשה, ודאו כעת כי גודל נקודת הלייזר גדול יותר מהמפתח האחורי של עדשת המיקרוסקופ. לאחר מכן, הגדירו את המודולטור האופטי של ה-Acousto-Optic כך שיפיק חלונות חשיפה של 10 microsecond שבהם הדגימה מקבלת קרינה.

הגדירו את קצב החזרות ל-25 hertz. חסמו את קרן הלייזר לפני הגעתה למיקרוסקופ. הניחו את הדגימה על במה עם תרגום תלת-צירי.

נתיב האלומה של פולסי לייזר הפמטושנייה צריך לעבור דרך עדשת המיקרוסקופ להדמיה ולהתמקד בתוך הדגימה. העבר את מקור התאורה של המיקרוסקופ כדי לצפות בדגימה ב-C two. באמצעות מצלמת ה-CCD, הזז את ציר Z של הבמה כדי למצוא את הממשק שבין תשתית הזכוכית לסרט הפולימר.

לאחר מכן, בצעו מיקוד מחדש של המיקרוסקופ לעומק הרצוי בתוך הפולימר. לצורך תבנית השכבה התחתונה ביותר, פתחו את קרן הלייזר. הגדירו בתוכנת בקר התנועה את הזזת הדגימה בצירים x, Y ו-Z במהירות של 100 microns per second.

התרגום בציר Z במהלך התבניות חייב להיות בכיוון הרחק מממשק הזכוכית-פולימר כדי למנוע הפרעה למבנים המיוצרים. ה"בורות" (foxholes) שהוחשפו ללייזר מופיעים ככהים ומכילים כסף. אנרגיית הפולס וזמן החשיפה.

קבע את גודל נקודות הכסף, את תדירות המודולטור האופטי המותאם ואת מהירות הזזת הדגימה. קבע את המרווח. ההגדרות הנוכחיות מייצרות נקודות גדולות עם מחזוריות של 4 µm לצורך בהירות.

בדימוי ב-C two, המודולטור האופטי של ה-AO ומסנני צפיפות ניטרלית מאפשרים בקרה מדויקת של כמות האנרגיה המופקדת בדגימה. לדוגמה, מבני כסף נראים בבירור דרך המיקרוסקופ האופטי של NC two תוך שימוש בחשיפה של 110 פולסים לווקסל ו-3 nano joules לפולס, כאשר הבמה נעה במהירות של 100 microns לשנייה. ברינדור תלת-ממדי זה של תמונות מיקרוסקופיה אופטית, הדגימה המיוצרת מורכבת ממערך של נקודות כסף מעל מערך נוסף של נקודות כסף.

הם מוחזקים במקומם על ידי מטריצת הפולימר. ניתן להציג את הנתונים גם כתמונות מיקרוסקופיה אופטית רצופיות המונפשות בעוד הדגימות מוזזות הרחק מעדשת המיקרוסקופ, כאשר מאפיינים שונים נכנסים ויוצאים ממיקוד חד. סרטון זה מציג את הדגימה שרונדרה קודם לכן בתלת-ממד.

סרטון זה מציג שתי תבניות של נקודות המסתלסלות בכיוון Z. ניתן להשיג תמונות ברזולוציה גבוהה של מבני כסף מיוצרים גם באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. דגימה זו מורכבת ממערך דו-ממדי של נקודות שיוצרו ישירות על מצע הזכוכית.

שימו לב, תכונות הכסף הן בגודל סוב-מיקרומטרי. לאחר צפייה בסרטון זה, צריכה להיות לכם הבנה טובה לגבי אופן יצירת מבני כסף תלת-ממדיים במטריצת פולימר באמצעות לייזר פמטושנייה. אל תשכחו שעבודה עם לייזרים וכימיקלים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש ללבוש תמיד את ציוד המיגון המתאים בעת ביצוע הליך זה.

טכניקה זו מאפשרת לחקור עיצובים וחומרים מטא-חומרים (metamaterials) חדשים, ולייצר התקנים שלא ניתן להכין באמצעות טכניקות אחרות.