ייצור של מערכים Nanocup זהב תקופתיים באמצעות Colloidal ליתוגרפיה

המטרה הכוללת של הליך זה היא לייצר ולאפיין מערכים מחזוריים של ננו-כוסות זהב באמצעות טכניקה פשוטה וזולה הנקראת ליתוגרפיה קולואידית. לננו-כוסות או ננו-מעטפות של זהב יש תכונות אופטיות ייחודיות שמצאו יישום בתחומים כגון אופטיקה לא-ליניארית, מטא-חומרים וחשיפה כימית. בסרטון זה, תלמדו כיצד לייצר סרטי מערך ננו-פלזמוניים גמישים ושקופים באמצעות טכניקה זולה המבוססת על הרכבה עצמית של ננו-ספירות פוליסטירן מונו-דיספרסיות מאוד.

גישה זו נהנית מיתרון של יכולת הרחבה (scalability) בהשוואה לתהליכים סדרתיים כגון ליטוגרפיית EUV. לסרטים אלה, המורכבים ממערכים מחזוריים של ננו-כוסות או ננו-קליפות של זהב, יש יישומים הנעים בין חישוש כימי, חיווי על פריצה (tamper indication) ופוטו-וולטאיקה. יתרה מכך, קל לכוונן את התהודה הפלסמונית של סרטים אלה מאור נראה לאינפרא-אדום קרוב, בהתאם ליישום הרצוי.

סרטון זה יתאר את תהליך הייצור של מערכי ננו-כוסות זהב על מצע סיליקון שניתן להקרבה, את האפיון האופטי של המבנים שהתקבלו, ואת העברת הסרטים לסרט דביק שקוף. ראשית, הניחו מספר פרוסות סיליקון בתוך נשא קוורץ לניקוי בפלזמה. פעולה זו מבטיחה שטח פנים הידרופילי נקי, החיוני להרכבה עצמית של הננו-ספירות הפולימריות.

בשלב הבא, הכניסו את נשאי הקוורץ למערכת הפלסמה והפעילו את הוואקום. המערכת הוגדרה לניקוי בפלסמת חמצן בהספק של 250 watt למשך 15 דקות ובקצב זרימה של 30 SCCM של חמצן. בזמן שפרוסות הסיליקון עוברות ניקוי בפלסמה, הוציאו את תמיסת ננו-כדורי הפוליסטירן מהמקרר והמתינו שיגיעו לטמפרטורת החדר.

כדי לסייע בהבטחת תמיסה אחידה, ערבבו את התמיסה בקצרה באמצעות וורטקס למשך דקה אחת. לאחר מכן, בצעו סוניקציה לתמיסה למשך דקה אחת. כדי להשיג שכבה אחת (monolayer) במהלך ציפוי בסבב (spin coating), יש לדלל בדרך כלל את תמיסת המקור של הננו-ספירות בריכוז של 10% משקל.

כדי לעשות זאת, נשתמש במים נקיים בדרגת טהרה גבוהה כדי לדלל את תמיסת הננו-ספירות לריכוז של 5% מוצקים ממשקל. הוצא את פרוסות הסיליקון הנקיות ממערכת הפלסמה ובדוק אם קיימים בהן מזהמים כגון אבק או שאריות אורגניות. אם הפרוסה תקינה, מקם אותה במרכז מכשיר ה-spin coater והפעל את הוואקום.

בשלב הבא, הגדירו במכשיר ה-spin coater את המהירות, התאוצה וזמן הסיבוב המתאימים. ערכים אלו ישתנו בהתאם לגודל ולריכוז של ננו-ספירות הפוליסטירן שבשימוש. במקרה זה, הגדירו את ה-spin coater ל-3,000 rpm, תאוצה של 2,000 rpm לשנייה למשך דקה אחת, כדי להשיג כיסוי של שכבה אחת (monolayer).

יש לקחת תמיסת ננו-ספירות מדוללת, ובעזרת מזרק פלסטיק, לשאוב כ-1 ml מתמיסת הננו-ספירות. לאחר מכן, יש להרכיב מסנן של 5 micron על קצה המזרק. פעולה זו תסייע בהסרת אגלומרטים שעלולים להשפיע לרעה על איכות הסרט המורכב עצמית.

החזיקו את המזרק מעל ה-spin coater ולחצו על הבוכנה עד לשחרור טיפה אחת של תמיסת הננו-ספירות. לאחר מכן, בתנועה רציפה, טפטפו כמות מספקת של תמיסה למרכז ה-wafer עד שכשני שליש (2/3) מה-wafer יכוסו. סגרו את המכסה והפעילו את מחזור הסיבוב.

המתינו עד לסיום מחזור הסבב, לאחר מכן שחררו את הוואקום, פתחו את המכסה והוציאו את הפרוסה (wafer). נגבו את פנים מכשיר הספין-קוטור (spin coater), תוך הקפדה על הסרת כל שארית של תמיסת הננו-ספירות. לפני ההמשך, חיוני להעריך את איכות הסרט שהופק בשיטת הספין-קאסטינג (spun cast film).

ראשית, ניתן לבצע בדיקה ויזואלית כדי לחפש פגמים שנגרמו על ידי בועות אוויר, אבק או אגלומרטים. לאחר מכן, ניתן להשתמש במיקרוסקופיה אופטית כדי להעריך באופן מעמיק יותר את איכות הסרט. לאחר הדלקת מקור האור והנחת הדגימה תחת העדשה, ניתן להעריך בבירור את איכות הסרט, כולל היווצרות של שכבות מרובות, פגמים או חורים.

בתמונות אלו אנו רואים סרט באיכות גבוהה, סרט המכיל רב-שכבות, וסרט המכיל חורים. הטכניקה הסופית להערכת איכות הסרט היא שימוש במיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת. דבר זה מאפשר לנו לדמיין את הסרט בקנה מידה ננומטרי.

לאחר הערכת איכות הסרט, עלינו כעת לבצע חישול (annealing) של הננו-ספירות לתשתית. יש להניח את התשתית בתנור בטמפרטורה של 107 °C למשך כשתי דקות. הוצא את התשתית מהתנור ואפשר לה להתקרר לזמן קצר לטמפרטורת החדר.

בשלב הבא, העבירו את המצע שעבר חישול למערכת הפלסמה לצורך תסריט (etching). הגדירו את מערכת הפלסמה ל-75 watts, ל-20 SCCM של חמצן, ולזמן תסריט של 175 seconds. התחילו את זרימת החמצן.

המתן עד שהלחץ יתייצב והפעל את פלזמת ה-RF. כפי שמוצג, פלזמת חמצן תחקק באופן איזוטרופי את ננו-ספירות הפוליסטירן, מה שיוביל למערך מחזורי של ספירות במרווחים אחידים. לאחר התחקור, שקע שכבת ביניים של זהב בעובי 29 בעזרת ציפוי התזתה (sputter coating).

ניתן ליצור מבנים אניזוטרופיים על ידי שינוי זווית השקיעה. עבור דגימות אלו, זהב שקע בניצב למצע. מוצגת כאן משמאל פרוסה של שני אינץ' של ננו-ספירות פוליסטירן שנוצרו בשיטת spin casting.

מימין מופיעה פרוסה לאחר שיקוע זהב. מיקרו-ספקטרופוטומטר משמש למדידת התכונות האופטיות של מערך ננו-כוסות הזהב על מצע הסיליקון. שיא תהודה הפלזמון מתרחש בערך ב-650 nanometers.

השלב האחרון של פרוטוקול זה הוא העברת מערך ננו-כוסות הזהב לסרט גמיש וקונפורמלי. אנו משתמשים בסרט דביק שקוף הרגיש ללחץ כדי לבצע את טכניקת ההסרה (lift off) המהירה והפשוטה הזו. קחו רצועת דבק והניחו אותה בזהירות במגע עם המצע המצופה בזהב.

ייתכן שתמצאו כי יש צורך להסיר בעדינות בועות אוויר שייתכן שנוצרו בין פני השטח של הפרוסה (wafer) לבין הסרט. לאחר שהסרט יצר מגע טוב עם התשתית, קלפו את הסרט בעדינות. לאחר הסרת הסרט באופן מלא, התוצאה היא סרט גמיש וקונפורמלי של nanocups המסודרים באופן מחזורי.

בשיטה זו, יוצרו סרטים ננו-פלסמוניים באמצעות ליתוגרפיה קולואידית, תערוכה פלסמית ומטליזציה, כאשר ננו-כדורי פוליסטירן שימשו כמסכת תבנית בהרכבה עצמית להשקעת ננו-גביעים של מתכת. תוצאות תהליך הייצור אומתו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. כאן אנו רואים את המיקרוגרפים של השכבה המונחית המרוכבת עצמית של ננו-כדורי פוליסטירן, הננו-כדורים לאחר התערוכה, והננו-גביעים לאחר השקעת המתכת.

התכונות האופטיות של סרטים אלו כוללות העברה טובה של אור עד לכ-70% בספקטרום הנראה, תוך שמירה על תהודה פלסמונית שניתן לזהותה בבירור. ליתוגרפיה קולואידית היא טכניקה מהירה ובעלת פוטנציאל לעלות נמוכה לייצור סרטים ננו-פלסמוניים. טכניקה זו דורשת ציוד זמין נפוץ בלבד, וניתן להכין סרטים ננו-פלסמוניים תוך שעות ספורות בלבד.

כאן הצגנו כיצד להשתמש בטכניקה זו ליצירת סרטים המורכבים ממערכים מחזוריים של ננו-כוסות זהב בעלות תגובה פלסמונית בספקטרום הנראה. לאחר שתשלטו בטכניקה זו, תוכלו לייצר מגוון רחב של סרטים ננו-פלסמוניים עם תגובות אופטיות הן בספקטרום הנראה והן באינפרה-אדום הקרוב.