3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

本プロトコルでは、フェムト秒レーザーを用いてポリマーマトリックス内に銀構造を三次元的に作製する方法について詳述します。まず、PVPと硝酸銀を水に溶解して混合し、ポリマーマトリックス内に銀イオンを分散させます。この溶液をガラススライドにコーティングし、焼成することで、銀イオンをドープした厚いポリマー層を作成します。次に、ポリマー層にフェムト秒レーザーパルスを照射し、ポリマー内部に銀構造を成長させます。光学顕微鏡および走査電子顕微鏡による分析結果から、試料のレーザー照射領域において銀構造が成長していることが示されます。UVフォトリソグラフィーなどの他の手法に対する本手法の主な利点は、フェムト秒レーザー直接描画により、一段階で内部構造を作成でき、さらにそれを3Dで実現できる点にあります。

このプロセスの鍵は、サンプル中の化学試薬の組み合わせにあります。これにより、銀の成長をレーザー照射領域に限定できるためです。この手法の応用例としては、赤外線および可視光波長用の等方性金属・誘電体メタマテリアルの3D作製が挙げられます。ビーカーに8 mLの水を量り取ります。

206 mgのポリビニルピロリドンを加え、溶液が透明になるまで混ぜ合わせます。次に、210 mgの硝酸銀を加え、混ぜて溶解させます。ドロップキャスティング法を用いて、ガラススライドに銀溶液をコーティングし、100 °Cのオーブンで30分間加熱します。

処理済みのスライドを取り出し、30分間冷却します。光学系は、チタンサファイアレーザー、ファラデーアイソレータ、パルス圧縮機、Kuo光学変調器、インディフィルター、CCDカメラを備えた自作顕微鏡、および3軸翻訳ステージで構成されています。顕微鏡全体を通してレーザービームを調整します。

対物レンズを試料マウントに合わせます。セットアップ全体は、振動遮断装置を備えた光学定盤上に配置してください。コンプレッサーを調整し、顕微鏡対物レンズ通過後のパルス幅が50 femtosecondになるようにします。

また、ニュートラル密度フィルターを調整し、3つのナノデュアルパルスを得ます。次に、対物レンズの後方で、レーザースポットサイズが顕微鏡対物レンズの後開口よりも大きくなっていることを確認します。次に、サンプルが照射される10マイクロ秒の露光ウィンドウを生成するように、acousto-optic modulatorを設定します。

繰り返し速度を25 hertzに設定します。レーザービームが顕微鏡に到達する前に遮断します。サンプルを3軸翻訳ステージ上に配置します。

フェムト秒レーザーパルスのビーム光路をイメージング顕微鏡の対物レンズに通し、試料内に集光させます。顕微鏡の照明光源を切り替えて、C twoで試料を観察します。CCDカメラを用いてステージのZ軸を移動させ、ガラス基板とポリマーフィルムの界面を探します。

次に、ポリマー内部の希望の深さに顕微鏡を再度フォーカスさせます。最下層をパターニングする場合は、レーザービームの遮蔽を解除します。モーションコントローラーのソフトウェアを設定し、x、Y、Z方向に100 microns per secondの速度でサンプルを移動させます。

パターニング中のZ方向への移動は、作製された構造物との干渉を避けるため、ガラスとポリマーの界面から離れる方向に行う必要があります。レーザー照射により暗色化したフォックスホールには銀が含まれています。パルスエネルギーと露光時間。

銀ドットのサイズ、カスタム光学変調器の周波数、およびサンプルの移動速度を決定します。間隔を決定します。現在の設定では、視認性を高めるため、周期 4 µm の大きなドットが生成されます。

C twoイメージングにおいて、AO光学モジュレーターと中性密度フィルターにより、サンプルに導入されるエネルギー量を精密に制御することが可能です。例えば、ボクセルあたり110パルス、1パルスあたり3 nano joulesの露光量で、ステージを100 microns per secondの速度で移動させながらNC two光学顕微鏡で観察すると、銀構造を容易に視認できます。この光学顕微鏡画像の3Dレンダリングでは、作製されたサンプルが、銀ドットの配列の上にさらに別の銀ドットの配列が重なった構成であることがわかります。

これらはポリマーマトリックスによって固定されています。また、サンプルを顕微鏡対物レンズから遠ざけるように移動させ、異なる特徴が順次鮮明な焦点に入り、そして外れる様子をアニメーション化した一連の光学顕微鏡画像としてデータを可視化することも可能です。このビデオでは、前述の3Dレンダリングされたサンプルを示しています。

このビデオでは、Z方向に螺旋状に配置された2つのドットパターンを示しています。作製された銀構造の高解像度画像は、走査電子顕微鏡を用いて取得することも可能です。このサンプルは、ガラス基板上に直接作製されたドットの2次元配列で構成されています。

なお、銀の構造体はサブマイクロメートルサイズであることに注意してください。このビデオを視聴することで、フェムト秒レーザーを用いてポリマーマトリックス中に三次元銀構造を作製する方法について十分に理解できるはずです。レーザーや化学薬品の使用は極めて危険であるため、この手順を行う際は、常に適切な保護具を着用することを忘れないでください。

この手法により、新しい設計やメタマテリアルの探索、および他の手法では作製不可能なデバイスの作製が可能になります。