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方法論記事

通電銀ナノワイヤにおけるプラズモニック輸送の評価

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DOI:

10.3791/51048

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2013年12月11日

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1Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne CNRS-UMR 6303, Université de Bourgogne, 2Department of Optics and Optical Engineering, University of Science and Technology of China, 3CEMES, CNRS-UPR 8011

この記事について

サマリー

銀ナノワイヤーは、電子と光学情報を表面プラズモンの形で同時に輸送することができます。ここでは、このような共有回路を実現するための手順を説明し、両方の情報キャリアを伝播する際の制限を評価します。

要約

プラズモニクスは、プラズモニック信号と電子信号を同じ情報サポート1,2,3上で同時に伝送できる新しい技術です。この文脈では、高密度のルーティングネットワーク4を実現するためには、金属ナノワイヤが特に望ましい。このような共有ナノワイヤベースのプラットフォームを運用するための前提条件は、個々の金属ナノワイヤに電気的に接触し、この情報サポートにおいて表面プラズモンポラリトン5を効率的に励起する能力に依存しています。本稿では、ガラス基板7上にランダムに分布した化学合成銀ナノワイヤ6に電気端子を持たせるためのプロトコルについて述べる。所定のランドマークに対するナノワイヤの末端の位置は、電子感受性レジストに封入する前に、標準的な光透過顕微鏡を用いて正確に位置決めされます。電極レイアウトを表すトレンチは、その後、電子ビームリソグラフィーによって設計されます。次に、金属電極は、Cr/Au層を熱蒸発させた後、化学的リフトオフを行うことによって製造されます。接触した銀ナノワイヤは、最終的に表面プラズモン励起および特性評価8,9のために漏れ放射線顕微鏡に移される。表面プラズモンは、1つのナノワイヤ先端5,9に重なる回折限界スポットに近赤外線レーザービームを集束させることにより、ナノワイヤ中に放出される。十分に大きなナノワイヤの場合、表面プラズモンモードはガラス基板9,10に漏れる。この漏れ放射は、漏れ放射顕微鏡9,11のさまざまな共役面で容易に検出、画像化、および分析されます。電気端子はプラズモンの伝播に影響を与えません。しかし、電流によるナノワイヤの形態学的劣化は、表面プラズモンの流れを劇的に悪化させます。表面プラズモン漏出放射顕微鏡とナノワイヤの電気輸送特性の同時分析との組み合わせは、そのようなプラズモン回路の本質的な限界を明らかにします。

概要

プラズモニクスは、表面プラズモンポラリトン1,2,3と呼ばれる電子密度波の媒介を介して、電子工学とフォトニクスを共通の物理的支持体で融合することを目指しています。表面プラズモンは、さまざまな導波路形状と界面で移動できます。その中でも、金属ナノワイヤーは特に望ましい。準1次元構造として、プラズモンフィールドを深いサブ波長スケールに劇的に閉じ込めると同時に、図1の芸術的な図面に示されているように、電子の流れを維持できる電気的相互接続として機能します。

表面プラズモンの伝播と電子輸送の両方が、ナノワイヤの構造不均一性(例えば、ねじれ、結晶欠陥など)に敏感です。化学合成された金属ナノワイヤ6は、欠陥の少ない単結晶として成長できるため、通常、トップダウンアプローチ(電子ビームリソグラフィーなど)12によって作製されたアモルファス金属ナノワイヤよりも優れた輸送性能を提供します。プラズモニックネットワーク単位セルの実現には、コロイド溶液からガラス基板にナノワイヤを転写する必要があります。表面官能基化13や自己組織化技術14のような特定の複雑なプレパターニングがなくても、ナノワイヤは一般に基板上でランダムに配向される。この制御されていない配向分布は、ナノワイヤの外部電源への電気的接続を劇的に複雑にします。

この記事では、ランダムに配向された化学合成された銀ナノワイヤが、ソースとドレインの電気端子によって正常に接触します。この目的のために、光学顕微鏡法を電子ビームリソグラフィーと組み合わせて、ナノワイヤを正確に位置を特定し、電気的接点15,16を作成する。回路のエレクトロプラズモニック性能を評価する特性評価手順について説明します。電極作製後、接触したナノワイヤを表面プラズモン漏洩放射線顕微鏡に移し、電子の流れが表面プラズモンの伝播に及ぼす影響を解析します。顕微鏡は、共役物体面と共役フーリエ平面にそれぞれ配置された高開口油浸対物レンズと2台の電荷結合素子(CCD)カメラを備えた倒立ベースを使用しています。これら2つの共役面は、表面プラズモン特性に関する補完的な情報を提供します。伝搬の詳細は像面解析から直接推測されるが、運動量分布はフーリエ平面撮像9によって可視化される。

表面プラズモンは、ガラス/空気界面の回折限界スポットに近赤外レーザービームを集束させることにより、個々のナノワイヤで励起されます。ナノワイヤの先端が焦点領域の内側に整列すると、散乱された入射レーザー光が波ベクトルの広範な分布を作り出し、その一部は表面プラズモンの励起と共鳴します。この表面波の伝播は、基板内で放出されるモードの漏れを収集することによって、またはナノワイヤの遠位端で散乱されたプラズモンを観察することによって視覚化されます。リーキー表面プラズモンモードの伝搬長と実効指数は、デュアルプレーンリーク放射顕微鏡で強度分布を分析することによって測定されます。

ナノワイヤ内で表面プラズモンが発生すると、ナノワイヤの各端部のドレイン端子とソース端子が安定化電圧供給に接続されます。CCDカメラは、ナノワイヤを流れる電流の関数として表面プラズモン特性をリアルタイムで監視します。電気伝達特性の各値について、表面プラズモンモードの実効指数と伝播長が決定されます。この手順は、電子とプラズモン7の輸送を同時に維持するためのナノワイヤベースの回路の限界を推定することを可能にする。

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プロトコル

1. 銀ナノワイヤーのコロイド溶液の合成

表面が平滑で均質な構造を持つ銀ナノワイヤ(Ag NW)は、改変ポリオール支援法6を用いて合成されます。一般的なAg NWの合成では、次の手順を段階的に実行します。

  1. 100 mLの洗浄済み丸底キャップ付きフラスコに12 mlのエチレングリコール(EG)を注ぎます。
  2. 溶液をオイルバス(ジメチルシリコーン)で150°Cで1時間加熱し、260rpmで磁気攪拌します。
  3. 4 mLのAgNO3(0.2 MのEG溶液)を滴下して加えます。この過程で、反応溶液の色は無色から透明な明るい黄色に変化し、これは銀結晶の種子の成長を示しています。
  4. 反応溶液にポリ-(ビニルピロリドン)(PVP)溶液4ml(EG溶液中の濃度は22.2mg/ml)をピペットでゆっくりと注入します。反応では、EGは溶媒と還元剤の両方として機能し、PVPは銀単結晶を特定の方向に沿って成長させます。
  5. 反応フラスコをキャップで覆います。150分後、溶液の色は淡黄色からセージグリーンに変わります。最後に、コロイドは濁った銀灰色に見えます。
  6. フラスコを氷冷水浴に入れて溶液の温度を下げ、反応を停止します。
  7. 1 mlのコロイド溶液を、3 mlのアセトンで満たされた遠心分離チューブに移します。
  8. チューブを600 x gで25分間遠心分離します。
  9. 上清を取り除き、DI水4mlを加えます。
  10. 手順1.8〜1.9を少なくとも3回繰り返して、余分なEGとPVPを取り除きます。

2. 電子ビームリソグラフィーによるガラス基板上への巨視的配向ランドマークの作製

  1. 油浸顕微鏡用に較正した顕微鏡カバーガラスN°1 1/2を、超音波浴を使用して希釈濃縮石鹸溶液[1:3]で洗浄します。
  2. 最初に大量の脱イオン水ですすぎ、次にイソプロパノールで2回目の洗浄を行います。カバースリップを窒素でブロードライします。
  3. ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)電子ビームレジスト160mlをピペットで取り(試薬の表を参照)、NWで覆われた基板に次の連続したコーティングパラメータでスピンコーティングします。
    1. 4 x Gの速度と4 x g/秒の加速で10秒。
    2. 350 x Gの速度と200 x g/秒の加速度で1秒。
    3. 700 x gの速度と200 x g/秒の加速で60秒。
  4. サンプルをホットプレートで170°Cで10分間焼きます。
  5. 手順2.2〜2.4を繰り返して、手順の最後にリフトオフを容易にするためのレジストの2番目の層を作成します。両層に同じ電子ビームレジストを使用してください。
  6. サンプルの上部に薄い導電性金層(20 nm)をスパッタリングしてから、電子ビームリソグラフィーに進みます。
  7. リソグラフィー用の電子ビーム顕微鏡に試料を移します。ファラデーケージを使用して、ビーム電流を150pAに設定します。
  8. ステップサイズを48 nm、ピクセルあたりの滞留時間を0.0243 msec、150 μA/cm2に設定したグリッドランドマークの設計レイアウトに従ってサンプルを露光します。
  9. MIBK(メチルイソブチルケトン):IPA(イソプロパノール)を比率[1:3]で45秒間使用してサンプルを現像し、サンプルをイソプロパノールにさらに45秒間浸してプロセスを停止します。
  10. 8 x 10-8 mbarの基本圧力で動作する金属蒸発器で基板を移します。0.1 nm/secの蒸発速度で堆積し、2 nmのCr(接着層)と70 nmのAu
    11. を堆積させます。
  11. アセトンを70°Cで約1.5時間温めたサンプルの化学的リフトオフに進みます。

3. 基板上へのナノワイヤの成膜

  1. ナノワイヤ溶液をエタノールで希釈して、基板上に約10μm2ごとに約1本のナノワイヤ密度を得る。
  2. 溶液50μlをピペットで取り、あらかじめパターン化した基質にドロップキャストします。窒素でブロードライします。

4. 光学顕微鏡によるナノワイヤの位置特定

  1. ナノワイヤーで装飾した基板を、標準的な校正済み光学顕微鏡に置きます。
  2. 一連の孤立した高品質ナノワイヤの先端を、最も近いアライメントマークに対して正確に位置決めします。

5. 電子ビームリソグラフィー、熱蒸着、ケミカルリフトオフによる電極の作製

  1. ナノワイヤの測定された位置を使用して、電極レイアウトを設計します。大きな受信パッド(50 μm x 50 μm)を組み込んで、タングステン電圧プローブをナノワイヤに到達する電極に接続します。
  2. ポリ(メタクリル酸メチル)(PMMA)電子ビームレジスト160 mlをピペットで塗布し(試薬の表を参照)、ナノワイヤで覆われた基板に次の連続したコーティングパラメータをスピンコーティングします。
    1. 4 x Gの速度と4 x g/秒の加速で10秒。
    2. 350 x Gの速度と200 x g/秒の加速度で1秒。
    3. 700 x gの速度と200 x g/秒の加速で60秒。
  3. サンプルをホットプレートで170°Cで10分間焼きます。
  4. 手順5.2〜5.3を繰り返して、手順の最後にリフトオフを容易にするためのレジストの2番目の層を作成します。両層に同じ電子ビームレジストを使用してください。
  5. サンプルの上部に薄い導電性金層(20 nm)をスパッタリングしてから、電子ビームリソグラフィーに進みます。
  6. リソグラフィー用の電子ビーム顕微鏡に試料を移します。ファラデーケージを使用して、ビーム電流を150pAに設定します。
  7. アライメントマークを使用して、電子ビーム顕微鏡の座標系を校正します。
  8. ステップサイズを48 nm、ピクセルあたりの滞留時間を0.0243 msec、150 μA/cm2の線量で、デザインレイアウトに従ってサンプルを露光します。
  9. MIBK(メチルイソブチルケトン):IPA(イソプロパノール)を比率[1:3]で45秒間使用してサンプルを現像し、開発したサンプルをイソプロパノールにさらに45秒間浸してプロセスを停止します。
  10. 8 x 10-8 mbarの基本圧力で動作する金属蒸発器で基板を移します。0.1 nm/secの蒸発速度で堆積し、2 nmのCr(接着層)、続いて70 nmのAu。
  11. アセトンを70°Cで約1.5時間温めたサンプルの化学的リフトオフに進みます。

6. 表面プラズモン漏洩放射線顕微鏡への移管

  1. 高開口対物レンズ(N.A.>1)と2軸圧電ステージを備えた表面プラズモンリーク顕微鏡を設置し、サンプル位置の調整を行います。
  2. 近赤外レーザーからのコリメートされたガウスビームを準備します。励起波長が長いほど、プラズモンの伝搬距離が長くなります。顕微鏡でビームの位置を合わせます。コリメートされたビームの直径は、顕微鏡の入射瞳を埋め尽くす必要があります。これにより、ガラス/空気界面での回折限界焦点の形成が保証されます。
  3. ビームスプリッターと顕微鏡の1つの出口ポートに配置された一連のリレーレンズの助けを借りて、物体平面とフーリエ平面(対物後焦点面)とそれぞれ共役する2つの平面を形成します。これらの共役面の位置に2台の電荷結合素子(CCD)カメラを配置します。
  4. 圧電ステージを使用して、選択した接触したナノワイヤの先端を焦点に重なるように位置合わせします。プラズモンモードへの光の結合が最大になるように位置を調整します。
  5. 安定化電源を電気端子の受信パッドに接続し、タングステンチップを3次元メカニカルプローバーに取り付けます。低ゲインの電流-電圧コンバータ(ゲイン10mA/V)または電流計を回路に挿入します。
  6. 印加されたバイアス、ナノワイヤを流れる電流、および2台のCCDカメラによって記録された強度分布を監視します。

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結果

図2(a) 上記の手順を用いて合成した、典型的な長さ10 mmのAgナノワイヤの走査電子顕微鏡写真を示す。左端の拡大図に示されている通り、ここでのナノワイヤの幅は200 nmである。 図2(b)図から、結晶成長の5回対称性が明確に見て取れます。ナノワイヤの表面に目に見える欠陥は認められません（例： キンク、粒子、 など）。この合成により、ナノワイヤの長さと幅に大きな分布が生じる。最も太いナノワイヤの周囲には、より短く小さいナノワイヤが顕著に観察される。 図2(a).

図3は、ガラス基板上にリソグラフィで形成されたアライメントマークの代表的な走査電子顕微鏡写真を示しています。書き込み領域の四隅に配置された4つの大きなアライメントマーク（実線矢印）は、連続するリソグラフィ工程間の座標系を報告するために使用されます。再配置時の位置精度を向上させるため、グリッドアレイの各コーナーに配置されたより小さなマーク（破線矢印）を...

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ディスカッション

この合成では、 図9(a)の透過型電子顕微鏡写真に示されているように、ナノワイヤの表面に結合したままの過剰な化学界面活性剤を使用します。この層は、電極とナノワイヤの界面に電流が流れるのを防ぐ誘電体バリアを作成します。 図10(a)と (b)に、電流-電圧特性の典型的な例を示します。特定のバイアスでの急激な電流ステップが曲線を中断します。これらのステップは、ナノワイヤ内の電流密度が界面活性剤層を物理的に破壊するのに十分な大きさである場合に発生します。電極とナノワイヤの間のオーム接触は、多くの場合、1〜3ステップ後に確立されます。その導通点での標準電流値は、1 Vをわずかに下回るバイアスの場合、5〜10 mAの範囲です。バイアスをさらに増やす場合は、特別な注意を払う必要があります。この電気的条件下での電流密度はエレクトロマイグレーションしきい値に達し、ナノワイヤの修復不可能な破壊につながる可能性があります。オーム接点が確立されると、電流/電圧特性は金属接点を示す線形傾向を示します(図8(a))。

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開示事項

著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

謝辞

これらの成果につながった研究は、欧州共同体の第7次フレームワークプログラムFP7/2007–2013 Grant Agreement no 306772およびGrant ERC-2007-StG No. 203872-COMOSYELの下で、欧州研究会議から資金提供を受けています。この研究は、Grant Plastips(ANR-09-BLAN-0049)の下で、Agence Nationale de la Recherche(ANR)によっても部分的に資金提供されています。A. S.は、PARIプログラムの下でブルゴーニュ大学からのポスドク奨学金に感謝します。MSは、中国奨学金評議会からの奨学金を認めています。D.Z.は、中国国家自然科学基金会からの助成金11004182および61036005に対する支援に感謝しています。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
DMEMInvitrogenABCD1234
エチレングリコール (EG)Sinopharm Chemical Reagent Co., LtdT20111130
PMMAAllresistAR-P 679
Acetone Analar NormapurVWR Prolabo20066.296
Isopropanol (IPA) Analar NormapurVWR Prolabo20842.298
AgNO3Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd20080826
Poly-(ビニルピロリドン) (PVP)Aladdin Chemistry Co., Ltd1041671-31744
DimethysiliconeSinopharm Group Company LimitedH201-500
Propylene Glycol Methyl Ether AcetateMicrochemicals GmbhAZ EBR
倒立光学顕微鏡NikonTE 2000
顕微鏡対物レンズNikon1.49/100X TIRF Plan-Apo
CCD カメラ (2x)AndorLuca-S
安定化電源RHKSPM 1000
取得データRHKSPM 1000
電流/電圧変換器自作ゲイン 10 mA/V
電子ビーム顕微鏡JEOLFEG 6500
リソグラフィーアドオンRAITHElphy
スピンコーターPRIMUSSTT15
熱蒸発器PLASSYSMEB 400
マイクロメータ プロービングステージ (2x)SÜSS MicroTecPH110
圧電ステージMad City LabsNano LP100

参考文献

  1. Ozbay, E. Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Sci. 311 (5758), 189-193 (1126).
  2. Zia, R., Schuller, J. A., Chandran, A., Brongersma, M. L. Plasmonics: the next chip-scale technology. Mater. Today. 9 (7), (2006).
  3. Genet, W., C,, Bozhevolnyi, S. I. Surface-plasmon circuitry. Phys. Today. 61 (5), 44-50 (2008).
  4. Pyayt, A. L., Wiley, B., Xia, Y., Chen, A., Dalton, L. Integration of photonic and silver nanowire plasmonic waveguides. Nat. Nanotechnol. 3, 660-665 (2008).
  5. Dickson, R. M., Lyon, L. A. Unidirectional Plasmon Propagation in Metallic Nanowires. J. Phys. Chem. B. 104, 6095-6098 (2000).
  6. Kan, C. X., Zhu, J. -J., Zhu, X. -G. Silver nanostructures with well-controlled shapes-synthesis, characterization and growth mechanism. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (15), 155304(2008).
  7. Song, M., et al. Electron-induced limitation of surface plasmon propagation in silver nanowires. Nanotechnol. 24 (9), (2013).
  8. Drezet, A., et al. Leakage radiation microscopy of surface plasmonpolaritons. Mater. Sci. Eng. B. 148, 220-229 (2007).
  9. Song, M., et al. Imaging Symmetry-Selected Corner Plasmon Modes in Penta-Twinned Crystalline Ag Nanowires. ACS Nano. 5 (7), 5874-5880 (1021).
  10. Miljković, V., Shegai, T., Johansson, P., Käll, M. Simulating light scattering from supported plasmonic nanowires. Opt. Express. 20 (10), 10816-10826 (2012).
  11. Massenot, S., et al. Polymer-metal waveguides characterization by Fourier plane leakage radiation microscopy. Appl. Phys. Lett. 91, (2007).
  12. Ditlbacher, H., et al. Silver Nanowires as Surface Plasmon Resonators. Phys. Rev. Lett. 95 (25), 257403(2005).
  13. Margueritat, J., et al. Influence of the number of nanoparticles on the enhancement properties of surface-enhanced Raman scattering active area: sensitivity versus repeatability. ACS Nano. 5 (3), 1630-1638 (2011).
  14. Rivera, T. P., Lecarme, O., Hartmann, J., Rossitto, E., Berton, K., Peyrade, D. Assisted convective-capillary force assembly of gold colloids in a microfluidic cell: Plasmonic properties of deterministic nanostructures. J. Vac. Sci. Technol. B. 26, 2513-2519 (2008).
  15. Cronin, S. B., et al. Thermoelectric investigation of bismuth nanowires. 18th international conference on Thermoelectrics, , 554-557 (1999).
  16. Cronin, S. B., et al. Making electrical contacts yo nanowires with a thick oxide coating. Nanotechnol. 13 (5), 653(2002).
  17. Colasdes Francs, G., et al. Integrated plasmonic waveguides: A mode solver based on density of states formulation. Phys. Rev. B. 80 (11), 115419(2009).
  18. Stahlmecke, B., et al. Electromigration in self-organized single-crystalline silver nanowires. Appl. Phys. Lett. 88 (5), 053122(2006).
  19. Kim, F., Sohn, K., Wu, J., Huang, J. Chemical Synthesis of Gold Nanowires in Acidic Solutions. J. American Chem. Soc. 130 (5), 14442-14443 (2008).
  20. Novotny, L., Hecht, B. Princ. Nano-Opt. , Cambridge University Press. (2006).
  21. Wang, W. M., et al. Dip-pen nanolithography of electrical contacts to single-walled carbon nanotubes. ACS Nano. 3 (11), 35443-33551 (2009).
  22. Kuzyk, A. Dielectrophoresis at the nanoscale. Electrophoresis. 32 (17), 2307-2313 (2011).
  23. Freer, E. M., Grachev, O., Duan, X., Martin, S., Stumbo, D. P. High-yield self-limiting single-nanowire assembly with dielectrophoresis. Nat. Technol. 5, 525-530 (2010).
  24. Huang, J. -S., et al. Atomically-flat single-crystalline gold nanostructures for plasmonic nanocircuitry. Nat. Comm. 1, 150(2010).

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