전류 운반은 나노와이어의 플라즈몬 수송 평가

Summary

은 나노 와이어는 표면 플라즈몬 형태로 전자와 광학 정보를 동시에 전송할 수 있습니다. 이러한 공유 회로를 실현하기 위한 절차가 여기에 설명되어 있으며, 두 정보 캐리어를 전파하는 데 있어서의 한계가 평가됩니다.

Abstract

플라즈모닉은 플라즈몬 신호와 전자 신호를 동시에 동일한 정보 지원^1,2,3으로 전송할 수 있는 새로운 기술입니다. 이러한 맥락에서, 금속 나노와이어는 밀집된 라우팅 네트워크⁴를 실현하는 데 특히 바람직합니다. 이러한 공유 나노와이어 기반 플랫폼을 작동하기 위한 전제 조건은 개별 금속 나노와이어를 전기적으로 접촉하고 이 정보 지원에서 표면 플라즈몬 폴라리톤⁵를 효율적으로 여기시키는 능력에 달려 있습니다. 이 기사에서는 유리 기판⁷에 무작위로 분포된 화학적으로 합성된 은 나노와이어⁶에 전기 단자를 가져오는 프로토콜에 대해 설명합니다. 미리 정의된 랜드마크에 대한 나노와이어 끝단의 위치는 전자에 민감한 레지스트에 캡슐화하기 전에 표준 광학 투과 현미경을 사용하여 정확하게 배치됩니다. 전극 레이아웃을 나타내는 트렌치는 이후에 전자빔 리소그래피에 의해 설계됩니다. 그런 다음 금속 전극은 Cr/Au 층을 열적으로 증발시킨 다음 화학적 리프트오프를 통해 제작됩니다. 접촉된 은 나노와이어는 최종적으로 표면 플라즈몬 여기 및 특성화를 위해 누설 방사선 현미경으로 이송됩니다^8,9. 표면 플라즈몬은 하나의 나노 와이어 말단과 겹치는 회절 제한 지점에 근적외선 레이저 빔을 집중시킴으로써 나노 와이어에서 발사됩니다^5,9. 충분히 큰 나노 와이어의 경우, 표면 플라즈몬 모드는 유리 기판^(9,10)으로 누출됩니다. 이 누출 방사선은 누출 방사선 현미경^9,11의 서로 다른 켤레 평면에서 쉽게 감지, 이미징 및 분석됩니다. 전기 단자는 플라즈몬 전파에 영향을 미치지 않습니다. 그러나 전류에 의한 나노와이어의 형태학적 열화는 표면 플라즈몬의 흐름을 급격히 저하시킵니다. 표면 플라즈몬 누설 방사선 현미경 검사와 나노와이어 전기 수송 특성의 동시 분석의 조합은 이러한 플라즈몬 회로의 본질적인 한계를 보여줍니다.

Introduction

Plasmonics는 표면 플라즈몬 폴라리톤^1,2,3이라고 하는 전자 밀도파의 중재를 통해 전자 장치와 포토닉스를 공유된 물리적 지지로 병합하는 것을 목표로 합니다. 표면 플라즈몬은 다양한 도파관 형상 및 계면으로 이동할 수 있습니다. 그 중에서도 금속 나노와이어가 특히 바람직하다. 준 1차원 구조로서 플라즈몬 필드를 깊은 하위 파장 규모로 크게 제한하는 동시에 그림 1의 예술적 그림에서 볼 수 있듯이 전자 흐름을 유지할 수 있는 전기 상호 연결 역할을 합니다.

표면 플라즈몬 전파와 전자 수송은 모두 나노와이어의 구조적 불균일성(예: 꼬임, 결정 결함 등)에 민감합니다. 결함이 거의없는 단결정으로 성장할 수 있기 때문에 화학적으로 합성 된 금속 나노 와이어⁶ 는 일반적으로 하향식 접근 방식 (예 : 전자빔 리소그래피)으로 제작 된 비정질 금속 나노 와이어에 비해 향상된 수송 성능을 제공합니다 ¹² . 플라즈몬 네트워크 유닛 셀의 실현은 나노와이어를 콜로이드 용액에서 유리 기판으로 이동시켜야 합니다. 표면 기능화(surface functionalization^{) 13} 또는 자기 조립 기술

Protocol

1. 은 나노 와이어의 콜로이드 용액의 합성

은 나노 와이어 (Ag NW)는 변형 된 폴리올 보조 방법⁶을 사용하여 합성됩니다. Ag NW의 일반적인 합성에서는 다음 절차가 단계별로 수행됩니다.

1. 12ml의 에틸렌 글리콜(EG)을 미리 세척한 100ml의 둥근 바닥 뚜껑이 있는 플라스크에 붓습니다.
2. 260rpm에서 자기 교반으로 오일 배스(디메틸실리콘)에서 150°C에서 1시간 동안 용액을 가열합니다.
3. 적하하여 4ml AgNO₃ (EG 용액에서 0.2M)를 첨가하십시오. 이 과정에서 반응 용액의 색이 무색에서 투명한 밝은 노란색으로 변하며, 이는 은 결정 종자의 성장을 나타냅니다.
4. 반응 용액에 4ml 폴리(비닐피롤리돈)(PVP) 용액(EG 용액의 농도는 22.2mg/ml)을 피펫으로 천천히 주입합니다. 반응에서 EG는 용매 및 환원제 역할을 하며 PVP는 은 단결정이 특정 방향을 따라 성장할 수 있도록 합니다.
5. 반응 플라스크를 캡으로 덮습니다. 150분 후 용액의 색상이 밝은 노란색에서 세이지 녹색으로 바뀝니다. 마지막으로 콜로이드는 탁한 은회색으로 나타납니다.

Results

그림 2(a)는 위에서 설명한 프로토콜을 사용하여 합성된 일반적인 10mm 길이의 Ag 나노와이어의 주사 전자 현미경 사진을 보여줍니다. 나노 와이어의 너비는 그림 2 (b)에서 왼쪽 말단의 클로즈업 뷰에서 볼 수 있듯이 200 nm입니다. 이 그림은 결정 성장의 5배 대칭을 쉽게 보여줍니다. 나노와이어 표면에는 눈에 띄는 결함(예: 꼬임, 입자 등)이 없습니다. 합성은 나노 와이어 길이와 너비의 큰 분포로 이어집니다. 더 짧고 더 작은 나노 와이어는 그림 2 (a)에서 가장 두꺼운 나노 와이어 주변에서 특히 볼 수 있습니다.

그림 3은 유리 기판에 석판화로 인쇄된 정렬 표시의 일반적인 주사 전자 현미경 사진을 보여줍니다. 쓰기 필드의 모서리에 위치한 4개의 큰 정렬 표시(실선 화살표)는 연속적인 리소그래피 단계 사이의 좌표계를.......

Discussion

합성은 그림 9(a)의 투과 전자 현미경 사진에 표시된 바와 같이 나노와이어 표면에 결합된 과잉 화학 계면활성제를 사용합니다. 이 층은 전류가 전극-나노와이어 인터페이스를 통해 흐르는 것을 방지하는 유전체 장벽을 생성합니다. 그림 10(a)와 (b)는 전류-전압 특성의 일반적인 예를 보여줍니다. 특정 바이어스에서 급격한 전류 단계가 곡선을 강조합니다. 이러한 단계는 나노와이어의 전류 밀도가 계면활성제 층을 물리적으로 파괴할 만큼 충분히 클 때 발생합니다. 전극과 나노와이어 사이의 옴 접촉은 종종 1-3단계 후에 설정됩니다. 해당 전도점의 일반적인 전류 값은 5V보다 약간 낮은 바이어스에 대해 10-1mA 범위에 있습니다. 바이어스를 더 높일 때는 특별한 주의를 기울여야 합니다. 이 전기적 조건에서 전류 밀도는 전기 이동 임계값에 도달하여 나노와이어를 돌이킬 수 없는 파괴로 이어질 수 있습니다. 옴 접점이 설정되면 전류/전압 특성은 금속 접.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
DMEM	Invitrogen	ABCD1234
에틸렌 글리콜 (EG)	Sinopharm 화학 시약 (	)
PMMA	Allresist	AR-P 679
아세톤 Analar Normapur	VWR Prolabo	20066.296
이소프로판올 (IPA) Analar Normapur	VWR Prolabo	20842.298
AgNO3	Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd	20080826
폴리(비닐피롤리돈) (PVP)	Aladdin Chemistry Co., Ltd	1041671-31744
Dimethysilicone	Sinopharm Group Company Limited	H201-500
프로필렌 글리콜 메틸 에테르 아세테이	Microchemicals Gmbh	AZ EBR
도립 광학 현미경	Nikon	TE 2000
현미경 대물	Nikon	1.49/100X TIRF Plan-Apo
CCD 카메라(2x)	Andor	Luca-S
레귤레이트 전원 공급 장치	RHK	SPM 1000
수집 데이터	RHK	SPM 1000
전류-전압 변환기	수제	이득 10mA/V
전자빔 현미경	JEOL	FEG 6500
리소그래피 애드온	RAITH	Elphy
Spincoater	PRIMUS	STT15
열 증발기	PLASSYS	MEB 400
마이크로미터 프로빙 스테이지 (2x)	SÜ SS MicroTec	PH110
압전 무대	Mad City Labs	Nano LP100