Descriviamo una tecnica che permette di nanomoulding basso costo patterning su scala nanometrica di materiali funzionali, pile di materiali e dispositivi completi. Nanomoulding possono essere eseguite su qualsiasi configurazione nanoimprinting e può essere applicata a una vasta gamma di materiali e processi di deposizione.
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Articolo metodologico
Nanomoulding di materiali funzionali, un modello versatile complementare replica Metodo di nanoimprinting
In questo articolo
Sommario
Abstract
Descriviamo una tecnica che permette di nanomoulding basso costo patterning su scala nanometrica di materiali funzionali, pile di materiali e dispositivi completi. Nanomoulding combinato con trasferimento strato consente la replicazione di modelli di superficie arbitrarie da una struttura master sul materiale funzionale. Nanomoulding possono essere eseguite su qualsiasi configurazione nanoimprinting e può essere applicata a una vasta gamma di materiali e processi di deposizione. In particolare, abbiamo dimostrato la fabbricazione di elettrodi di zinco trasparente di ossido di fantasia per le applicazioni di cattura della luce nelle celle solari.
Introduzione
Nanopatterning ha assunto un'importanza enorme in molti campi delle nanotecnologie e delle scienze applicate. Generazione di modello è il primo passo e può essere realizzata mediante top-down approcci come litografia a fascio elettronico o bottom-up basato sulla auto-assemblaggio metodi come la litografia nanosfere o copolimero a blocchi litografia 1. Importante come generazione di un modello è la replica del modello. Oltre fotolitografia, nanoimprinting (Figura 1) è emerso come una promettente alternativa, in particolare, adatto per high-throughput di grande superficie patterning su scala nanometrica a basso costo 2-4. Mentre fotolitografia richiede una maschera modellata, nanoimprinting si basa su una struttura prefabbricata maestro. Trasferimento del modello dal master viene comunemente eseguita in un polimero termoplastico o UV-induribile o termicamente. Tuttavia vi sono molti casi in cui è desiderabile trasferire il pattern direttamente su un materiale funzionale.
Qui si descrive un metodo di replica basata su nanomoulding e strato di trasferimento (figura 2) che abbiamo recentemente introdotto in rif. 5 per trasferire modelli nanoscala su elettrodi funzionali di ossido di zinco. Nanomoulding nostro metodo può essere facilmente implementato se una configurazione nanoimprinting è disponibile. Nanomoulding offre il potenziale per essere generalizzato a molti altri materiali funzionali, pile materiali e dispositivi persino interi, a condizione che il materiale di stampo è scelto in modo che sia compatibile con il processo di deposizione di materiale (es). Come esempio qui presentiamo nanomoulding del conduttore trasparente di ossido di zinco (ZnO) elettrodi depositati mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD), che trovano applicazione per migliorare cattura la luce nelle celle solari 5.
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Protocollo
1. Mould Fabrication
Usiamo la nostra casa costruita configurazione nanoimprinting per la realizzazione del Rif stampo negativo seguente. 6, ma ogni installazione nanoimprinting alternativa vanno bene. In alternativa, un funzionalizzato polidimetilsilossano (PDMS) muffa potrebbe anche funzionare.
- Realizzare o comprare un master per il trasporto adatta il modello da trasferire su scala nanometrica. In linea di principio, qualsiasi master adatto per nanoimprinting farà il lavoro. Usiamo un livello di texture ZnO su una lastra di vetro (Schott, AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) depositati come descritto al punto 3.1 come struttura principale per illustrare il metodo.
- Applicare un anti-aderenza strato sulla struttura principale come descritto in 2.
- Pulire un polietilene naftalato (PEN) foglio (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) in un bagno ad ultrasuoni acetone per 2 min seguita da un bagno ad ultrasuoni isopropanolo per altri 2 minuti. Risciacquare una volta con isopropanolo e asciugare con azoto.
- Deposito di una polverizzazione catodica strato di adesione Cr (nm 5-10) sul foglio PEN.
- Spin-coat l'UV-curable resina (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) sul foglio PEN a 5.000 giri per ottenere una copertura uniforme.
- Eseguire un prebake per 5 min su una piastra calda a 80 ° C per evaporare il solvente, migliorare l'uniformità di pellicola e l'adesione al foglio PEN.
- Utilizzare la configurazione nanoimprinting per timbrare l'archetipo maestro nel UV-curable resina. Sebbene non obbligatorio, eseguiamo stampaggio sotto vuoto per evitare inclusioni bolla applicando una pressione omogenea di 1 bar su una membrana di silicone flessibile. Nella nostra configurazione, la membrana di silicone separa la camera a vuoto in due sotto-compartimenti. Pressione viene generata facendo fuoriuscire il vano superiore, mentre il vano inferiore rimane sotto vuoto. Sfiato spinge la membrana flessibile verso il basso di avvio del calpestio.
- Esporre la resina a luce UV per provocare la reazione di reticolazione della resina. Applichiamo una luce moderataintensità di 1,4 mW / cm 2 alla lunghezza d'onda di 365 nm fornite da diversi LED. Tempo di esposizione attraverso il foglio PEN è in genere 15-20 minuti.
- Cura sformare manualmente peeling lo stampo fuori dalla struttura principale.
- Come resina può subire lieve ritiro durante la deposizione del materiale funzionale, che può portare a spontanea peeling, si esegue una cottura lieve messaggio termico a 150 ° C durante 6-8 ore in un forno ad atmosfera ambiente prima di procedere.
2. Anti-adesione livello
Per successo sformatura, l'anti-aderenza strato deve essere adattata ai materiali e la rugosità pattern. In genere i modelli grezzi richiedono bassi coefficienti di attaccare. Bassi coefficienti sporgenti su modelli lisce può portare alla pelatura del materiale funzionale dallo stampo. Elevati coefficienti di attaccare sui modelli grezzi può causare secchezza della resina dal foglio PEN durante la fabbricazione dello stampo come l'aderenza deice della resina al master è più forte.
- Rivestire lo stampo (o master) con uno strato di cromo per polverizzazione catodica (nm 5-10) per promuovere l'adesione del movimento anti-adesione agente. Per i modelli liscio lasciamo cadere questo passo. In alcuni casi lo strato di cromo può impedire l'agente anti-adesione per incidere la struttura master.
- Applicare una piccola goccia di agente anti-adesione (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) su un vetrino. Mettere il vetrino con lo stampo in una camera a vuoto di gas e liquidi. L'agente anti-aderenza evapora e deposita come un monostrato molecolare sullo stampo.
- Ancorare il anti-adesione agente tramite ricottura durante 1-2 ore a 80 ° C.
3. Materiale di deposizione
Dimostriamo qui tre tecniche di deposizione adatti per la deposizione di materiale per illustrare la versatilità di nanomoulding. Altre tecniche di deposizione potrebbe anche essere applicata. Il terzo esempio descrive la fabrication di una completa a film sottile cella solare al silicio.
- Deposizione di vapore chimico (CVD) di ossido di zinco: Mettere lo stampo sulla piastra riscaldante del reattore CVD riscaldato a 180 ° C. Utilizzare un telaio metallico per evitare di piegare dello stampo PEN durante la deposizione ZnO. Chiudere il reattore, pompa e consentire termalizzazione. Ammettere il gas precursori (H 2 O e (C 2 H 5) 2 Zn). Inoltre abbiamo dosaggio di piccole quantità di B 2 H 6 per doping. Lo spessore dello strato di ZnO è proporzionale al tempo di deposizione. Usiamo strato ZnO tipicamente spessori di 1-5 micron. Dettagli su parametri tipici deposizioni possono essere trovati in rif. 7
- Deposizione fisica da fase vapore (PVD) / sputtering di argento: Mettete lo stampo nel sistema PVD. Chiudere l'impianto di gas e liquidi. Ammettere gas di processo argon. Accendere il generatore di corrente continua. Lo spessore dello strato di Ag è nuovamente proporzionale al tempo di deposizione. Usiamo strato di Ag spessore, in genere di 1 um. Deposizione p tipicaarametri sono una pressione di argon 5.5x10 -3 mbar e una potenza specifica di installazione continua di 250 W che producono una velocità di deposizione di circa 45 nm / sec.
- Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition (PE-CVD): Deposito ZnO come in 3.1). Mettere lo stampo in PE-CVD reattore riscaldato a 200 ° C. Chiudere il reattore, pompa e consentire termalizzazione. Ammettere i gas precursori (SiH 4 e H 2). Inoltre abbiamo dosi piccole quantità di B (CH 3) 3 e PH 3 per ottenere p-doping e di tipo n, rispettivamente. Per aumentare la tensione a circuito aperto delle celle solari, usiamo anche piccole quantità di CH 4 e CO 2 per gli strati drogati. Dopo la deposizione del amorfo pila perno cella solare al silicio, si deposita una backcontact ZnO, come descritto al punto 3.1.
- Evitare un'eccessiva flessione dello stampo, la piegatura può causare spellatura dello strato depositato.
4. Strato di trasferimento
Usiamo glasdiapositive s (Schott AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) come substrato finale. Ma altri substrati, compresi fogli di metallo o fogli polimerici, potrebbe essere usato in alternativa.
- Vetrini puliti con acetone e isopropanolo e asciugare con azoto.
- Spin-coat UV resina induribile (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) sul vetrino a 5.000 giri.
- Utilizzare la configurazione nanoimprinting per ancorare il porta-stampo gli strati depositati sul substrato finale. Come per stampaggio, si eseguono ancoraggio sotto vuoto applicando una pressione omogenea di 1 bar.
- Esporre la resina a luce UV per provocare la reazione di reticolazione. Si applica una moderata intensità di 1,4 mW / cm 2 alla lunghezza d'onda di 365 nm fornite da diversi LED. Tempo di esposizione attraverso il vetrino è solo 1-3 min per effetto della trasmissione UV superiore del vetro rispetto al PEN.
- Sformare manualmente peeling lo stampo fuori dal vetrino.
5. Esempio di Caratterizzazione
- Usa il tuo preferito morfologica, tecnica elettrica o ottica per caratterizzare i campioni nanomoulded. Qui si caratterizzano i nostri campioni nanomoulded usando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e microscopia a forza atomica (AFM).
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Risultati
Figura 3 riassume alcuni esempi illustrativi di strutture nanomoulded. Una struttura master ZnO cresciuti CVD su vetro è mostrato in (a). Il corrispondente nanomoulded ZnO replica è mostrato in (d). Confronto dell'altezza locale (g) e angolo (j) istogrammi estratti da immagini AFM rivelano l'alta fedeltà del processo nanomoulding. Risultati analoghi sono indicati per un reticolo unidimensionale fabbricato da litografia interferenza (b, e, h, k) e alluminio anodicamente strutturato (c, f, i...
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Discussione
Nanomoulding consente il trasferimento di nanopatterns su arbitrarie materiali funzionali. Confronto delle singole fasi di lavorazione in figura 1 e 2 rivela la stretta relazione tra nanomoulding e nanoimprinting. La principale differenza tra nanomoulding e nanoimprinting è l'ulteriore fase di deposizione di materiale in figura 2e. Il flusso di processo rimanente è identico. Nanomoulding possono quindi essere eseguite su qualsiasi configurazione nanoimprinting dispo...
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Dichiarazioni
Nessun conflitto di interessi dichiarati.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano M. Leboeuf per l'assistenza con l', AFM W. Lee per il master in alluminio anodicamente texture e l'Ufficio svizzero dell'energia federale e il Fondo nazionale svizzero Science Foundation per il finanziamento. Una parte di questo lavoro è stato svolto nell'ambito del progetto FP7 "Fast Track", finanziato dalla CE nell'ambito convenzione di sovvenzione n 283501.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Nome del reagente | Azienda | Numero di catalogo | Commenti (opzionale) |
| Nanoimprinting resina | Microresist | Ormostamp | |
| (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, agente anti-aderenza | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Diapositiva su vetro | Schott | AF32 eco | 0,5 millimetri |
| Polietilene naftalato (PEN) fogli | Goodfellow | ES361090 | 0,125 millimetri |
| (C 2 H 5) 2 Zn | Akzo Nobel | ||
| Ag sputter 4N bersaglio | Heraeus | 81062165 | |
| B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2 | Messer | ||
| ATTREZZATURE | |||
| Nanoimprinting sistema | Home-costruito | ||
| LP-CVD sistema | Home-costruito | ||
| PVD sistema | Leybold | Univex 450 B | |
| PE-CVD reattore | Indeotec | Octopus I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | Gli strumenti digitali | Nanoscope 3100 |
Riferimenti
- Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
- Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
- 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).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
- 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).
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- Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
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