3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

サマリー

フェムト秒レーザー直接描画が頻繁ポリマーおよびガラス中の3次元（3D）のパターンを作成するために使用されます。しかし、3Dでパターニング金属が課題として残されている。我々は800nm​​を中心としたフェムト秒レーザーを用いた高分子マトリックス内に埋め込まれた銀ナノ構造体の製造方法を説明します。

要約

標準的なナノファブリケーション·ツールキットは、主に誘電体媒体で2Dパターンを作成することを目的と技術を含む。サブミクロンスケールでの金属パターンを作成すると、ナノファブリケーションツールといくつかの材料の処理ステップの組み合わせが必要です。例えば、紫外線、フォトリソグラフィ及び電子ビームリソグラフィを用いた平面金属製の構造物を作成する手順は、サンプル露出、サンプル開発、金属蒸着、金属リフトオフを含めることができます。 3D金属構造を作成するには、シーケンスが複数回繰り返される。複数の層を積層し、整列の複雑さと難しさは、標準的なナノファブリケーションツールを使用して、3Dの金属構造の実用的な実装を制限します。フェムト秒レーザー直接描画は3D微細加工のための卓越した技術として浮上している^。1,2フェムト秒レーザーは頻繁にポリマーとメガネで3Dパターンを作成するために使用されます^。3-7しかし、直接書き込み3D金属が課題として残されている。ここでは、800 nmでの中心とフェムト秒レーザーを用いた高分子マトリックス内に埋め込まれた銀ナノ構造を作製する方法を説明します。方法は、切断された銀のボクセルの3次元配列のような他の技術を用いて実現可能ではないパターンの製作が可能になります^。8切断3D金属パターンがそのような結合された金属ドット¹⁰のようなユニットセルが互いに接触していないメタマテリアル^、9に有用であり^{、 11}または結合金属棒^12,13共振器。潜在的なアプリケーションは負のインデックスメタマテリアル、不可視のマント、完璧なレンズを含む。

フェムト秒レーザー直接描画では、レーザー波長は、その光子は直線的にターゲット·メディアで吸収されない選ばれています。レーザーパルスの持続時間がフェムト秒の時間スケールにまで圧縮されており、放射線がしっかりターゲット内部フォーカスされている場合、非常に高い強度が非線形吸収を誘導する。複数の光子が同時に吸収される注目領域内の材料の変更につながる電子遷移を起こすLY。この手法を使うと、1は、材料のバルクではなく、その表面上の構造を形成することができる。

3Dダイレクト金属書き込みのほとんどの作業は自己担持金属構造を作成するに焦点を当ててきた^14-16の方法は、ここで説明され、それらがマトリックス内に埋め込 ​​まれているので、セルフサポートする必要はありませんサブミクロン銀構造が得られます。ドープポリマーマトリックスは、硝酸銀との混合物（AgNO _3を ）、ポリビニルピロリドン（PVP）と水（H ₂ O）を用いて調製される。次いで、試料を50 fsのパルスを生成する11 MHzのフェムト秒レーザーを照射してパターン化される。照射中は、銀イオンの光還元を震源域における銀ナノ粒子の集合体を作成し、非線形吸収を介して誘導される。このアプローチを使用して我々は、ドープされたPVPのマトリックス中に埋め込まれた銀のパターンを作成します。 sの3D変換の追加十分には3つの次元にパターニングを拡張します。

プロトコル

1。金属イオンをドープしたポリマーフィルムを準備

1. ビーカー内の水8mlを測定します。
2. 水にPVPの206 mgを追加します。溶液が透明になるまでマグネチックスターラーあるいはボルテックスミキサーを用いて混合します。
3. ソリューションにAgNO ₃の210 mgを追加します。溶液が透明になるまでマグネチックスターラーあるいはボルテックスミキサーを用いて混合します。
4. ドロップキャスティングを通じた解決を持つコートスライドガラス。
5. 100℃のオーブンセットに置きスライドガラス30分間サンプルを焼く。
6. オーブンからサンプルを取り出し、30分間冷ます。

2。切断された銀構造体の作製

1. 防振付き光学テーブルの上に、図1に示したセットアップの位置を合わせます。
2. 顕微鏡の対物レンズの後に50-FSECパルスを得るために、コンプレッサーを調整します。
3. 客観後3-NJパルスを得るために、NDフィルターを調整します。
4. レーザスポットサイズは​​顕微鏡対物レンズの開口部背面よりも大きいことを確認します。
5. 試料に照射された時に、10マイクロ秒露光ウィンドウを生成する音響光学変調器を設定します。
6. それは3軸移動ステージ上に顕微鏡と場所の試料に到達する前にブロックレーザービーム。フェムト秒レーザーパルスの光路は、イメージング顕微鏡対物レンズを通って試料に渡す必要があります。
7. CCDカメラを用いたin-situでの試料を観察する顕微鏡照明源をオンにします。
8. ガラス基板とポリマー膜との界面を見つけるために、ステージの z軸を翻訳します。次に、パターニング一番下の層にポリマー内の所望の深さに顕微鏡の焦点を再び合わせてください。パターニング中にZ-変換が製造される構造と散乱を避けるために、先にガラスポリマー界面からの方向でなければなりません。
9. Y、 - - xでサンプルを翻訳するためにレーザービームとセットモーションコントローラソフトウェアのブロックを解除し 、z -は100μm/秒の速度と方向。 10μ秒のための単一のボクセルを照射明確なのin-situイメージングのために少なくとも数μmによるNd別隣接するボクセル。 25 Hzに音響光学変調器の繰返し速度を設定すると、4μmの間隔を生成します。レーザー露光された領域は、銀の構造が含まれます。

結果

音響光学変調器とNDフィルター（ 図1）は、1は、サンプルの中に堆積されるエネルギーの量を制御することができます。ステージが100μm/秒で翻訳して、パルス当たりのボクセルと3 NJあたり110パルスの露光を用い、得られた銀の構造は、 その場での光学顕微鏡で容易に見ることができます。低いレーザ露光レベル（パルスエネルギーおよび/ ​​またはパルス数を減らすことによって）より小さい銀の機能への鉛;。我々は、300nmのような小さな特徴を観察してきた⁸それは、1未満からパルスエネルギーの広い範囲を使用して、銀の構造を作成することが可能ですいくつかのnanojoulesにナノジュール。 図3は、作製したサンプルを撮影した光学像の3Dレンダリングを示しています。別のアレイの上にドットの配列からなるパターンは、2つの角度から示されています。データはまた、ビデオを通じて可視化することができる。シーケンシャル光学顕微鏡画像は、ビデオの記事でアニメーション化されます。 THIポリマーマトリックスのcknessはドロップキャスティングプロセス中に使...

ディスカッション

プロセスの鍵は高解像度の製作を可能にドープされた誘電体マトリックスを取得されていますが、調製後すぐに劣化することはありません。 PVP、AgNO ₃およびH ₂ Oの単純な混合物は、支持マトリックス内部に埋め込 ​​まれている高解像度の銀ナノ構造体の作成 ​​を可能にします。 AgNO _3を比率にPVPを変化させると、製造に必要なレーザーエネルギーを変更し、このような機能の解像度などの潜在的に他のプロパティになります。比率が低いということは、誘電体マトリックスの速い劣化につながり、高い比率が製造された機能の銀の非常に少量につながる。

波長、レーザビームモードパラメータ、および顕微鏡の対物レンズの開口数（NA）に依存し、サイズ最小レーザースポットは、我々のシステムの場合は900 nmのです。光と物質の相互作用の非線形性は、このスポットサイズより小さい銀の特徴につながることができます。我々は、300 nmの銀の特徴uを実証している弊社の光学セットアップを歌いますこの実験で使用される⁸目的はパターン厚...