Fabbricazione di matrici Nanocup oro periodica mediante Litografia colloidale

L'obiettivo generale di questa procedura è realizzare e caratterizzare array periodici di nanotazze d'oro utilizzando una tecnica semplice ed economica chiamata litografia colloidale. Le nanotazze d'oro o i nanogusci presentano proprietà ottiche uniche che hanno trovato applicazione in settori come l'ottica non lineare, i metamateriali e il rilevamento chimico. In questo video, imparerai come realizzare film flessibili e trasparenti con array nano-plasmonici utilizzando una tecnica economica basata sull'autoassemblaggio di nanosfere di polistirene altamente monodisperse.

Questo approccio presenta il vantaggio della scalabilità rispetto a processi seriali come la litografia EUV. Questi film composti da reticoli periodici di nanotazze o nanogusci d'oro trovano applicazioni che spaziano dalla rilevazione chimica alla segnalazione di manomissioni e al fotovoltaico. Inoltre, è semplice regolare la risonanza plasmonica di questi film dal visibile al vicino infrarosso, a seconda dell'applicazione desiderata.

In questo video verrà descritta la fabbricazione di array di nanotazze d'oro su un substrato di silicone sacrificabile, la caratterizzazione ottica delle strutture ottenute e il trasferimento dei film su un film adesivo trasparente. Innanzitutto, posizionare diversi wafer di silicone in un portacampioni di quarzo per la pulizia al plasma. Questo garantisce una superficie pulita e idrofila, essenziale per l'autoassemblaggio delle nanosfere polimeriche.

Successivamente, posizionare il supporto in quarzo nel sistema al plasma e avviare il vuoto. Il sistema è stato configurato per una pulizia al plasma con ossigeno di 250 watt per 15 minuti, con una portata di 30 SCCM di ossigeno. Mentre le wafer di silicone vengono pulite al plasma, rimuovere la soluzione di nanosfere di polistirene dal refrigeratore e lasciarle riscaldare a temperatura ambiente.

Per favorire un'ottenzione di una soluzione uniforme, agitare brevemente la soluzione con un vortex per un minuto. Successivamente sottoporre la soluzione a sonicazione per un minuto. Per ottenere un monocstrato durante la deposizione mediante spin coating, è generalmente necessario diluire la soluzione al 10 percento in peso di nanosfere.

Per fare ciò, utilizziamo acqua pura e priva di contaminanti per diluire la soluzione di nanosfere fino a ottenere un solido al cinque percento in peso. Rimuovere le wafer di silicio pulite dal sistema al plasma ed esaminarle alla ricerca di eventuali contaminanti come polvere o residui organici. Se una wafer è accettabile, montarla al centro del dispositivo di centrifugazione e attivare il vuoto.

Successivamente, impostare la centrifuga per rivestimenti alla velocità, accelerazione e durata di rotazione appropriate. Questi parametri varieranno in base alle dimensioni e alla concentrazione delle nanosfere di polistirene utilizzate. In questo caso, impostare la centrifuga per rivestimenti a 3.000 giri al minuto, con un'accelerazione di 2.000 giri al minuto al secondo, per un minuto, al fine di ottenere un rivestimento monocellulare.

Prelevare una soluzione diluita di nanosfere e, utilizzando una siringa di plastica, aspirare circa un millilitro di soluzione di nanosfere. Successivamente, fissare un filtro da cinque micron all'estremità della siringa. Questo passaggio consentirà di rimuovere eventuali agglomerati che potrebbero compromettere la qualità del film autoassemblato.

Tenere la siringa sopra il coater a centrifuga più robusto e premere lo stantuffo fino a rilasciare una goccia di soluzione di nanosfere. Quindi, con un movimento fluido, distribuire una quantità sufficiente di soluzione al centro della wafer finché circa i 2/3 della superficie non risultano ricoperti. Chiudere il coperchio e avviare il ciclo di centrifugazione.

Attendere il completamento del ciclo di centrifugazione, quindi rilasciare il vuoto, aprire il coperchio ed estrarre la piastrina. Pulire l'interno del dispositivo di spin coating, assicurandosi di rimuovere ogni eccesso di soluzione di nanosfere. Prima di proseguire, è essenziale valutare la qualità del film ottenuto mediante spin coating.

Prima, possiamo esaminare ad occhio nudo, cercando eventuali difetti causati da bolle d'aria, polvere o agglomerati. Successivamente, possiamo utilizzare la microscopia ottica per valutare ulteriormente la qualità del film. Dopo aver acceso la sorgente luminosa e posizionato il campione sotto l'obiettivo, possiamo valutare chiaramente la qualità del film, inclusa la formazione di strati multipli, difetti o fori.

In queste immagini, osserviamo un film di alta qualità, un film costituito da strati multipli e un film contenente fori. L'ultima tecnica per valutare la qualità del film consiste nell'utilizzare la microscopia elettronica a scansione. Questo approccio ci permette di visualizzare il film a livello nanometrico.

Dopo aver valutato la qualità del film, dobbiamo ora ricotturare le nanosfere sul substrato. Posizionare il substrato in un forno a 107 gradi Celsius per circa due minuti. Rimuovere il substrato dal forno e lasciarlo raffreddare brevemente a temperatura ambiente.

Successivamente, trasferire il substrato ricotto nel sistema al plasma per la corrosione. Impostare il sistema al plasma su 75 watt, 20 SCCM di ossigeno e un tempo di incisione di 175 secondi. Iniziare il flusso di ossigeno.

Attendere finché la pressione non si è stabilizzata e quindi avviare il plasma RF. Come mostrato, il plasma di ossigeno incide isotropicamente le nanosfere di polistirene, producendo un reticolo periodico di sfere uniformemente distanziate. Dopo l'incisione, depositare uno strato intermedio di 29 di oro mediante rivestimento a spruzzo.

Strutture anisotrope possono essere ottenute variando l'angolo di deposizione. Per questi campioni, l'oro è stato depositato normalmente al substrato. A sinistra è mostrato un wafer da due pollici di nanosfere di polistirene ottenute per spin-coating.

A destra si trova un wafer dopo la deposizione dell'oro. Viene utilizzato un microspettrofotometro per misurare le proprietà ottiche dell'array di nanotazze d'oro sul substrato in silicone. Il picco di risonanza plasmonica si verifica a circa 650 nanometri.

L'ultimo passaggio di questo protocollo consiste nel trasferire l'array di nanotazze d'oro su un film flessibile e conformabile. Utilizziamo un nastro adesivo trasparente sensibile alla pressione per eseguire questa tecnica di rimozione rapida e semplice. Prendendo una striscia di nastro, posizionarla con attenzione a contatto con il substrato rivestito d'oro.

Potrebbe essere necessario rimuovere delicatamente eventuali bolle d'aria formatesi tra la superficie della wafer e il nastro. Una volta che il nastro ha aderito bene al substrato, staccarlo con delicatezza. Dopo aver rimosso completamente il nastro, si ottiene un film flessibile e conformale costituito da nanotazze disposte in modo periodico.

Utilizzando questo metodo, sono stati realizzati film nano plasmonici mediante litografia colloidale, incisione plasmatica e metallizzazione, in cui le nanosfere di polistirene hanno funzionato da maschera autoassemblante per il deposito di nanotazze metalliche. I risultati del processo di fabbricazione sono stati verificati mediante microscopia elettronica a scansione. Qui vediamo le microfotografie del monostrato autoassemblato di nanosfere di polistirene, delle nanosfere incise e delle nanotazze dopo il deposito del metallo.

Le proprietà ottiche di questi film includono una buona trasmissione della luce fino a circa il 70% nello spettro visibile, mantenendo al contempo una risonanza plasmonica chiaramente identificabile. La litografia colloidale è una tecnica rapida e potenzialmente a basso costo per fabbricare film nano plasmonici. Questa tecnica richiede soltanto apparecchiature comunemente disponibili e i film nano plasmonici possono essere preparati in poche ore.

Qui, abbiamo mostrato come utilizzare questa tecnica per realizzare film costituiti da matrici periodiche di nanotazze d'oro con una risposta plasmonica nello spettro visibile. Una volta padroneggiata questa tecnica, sarai in grado di fabbricare una vasta gamma di film nano-plasmonici con risposte ottiche sia nel visibile che nell'infrarosso vicino.