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.
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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.
플라즈모닉은 플라즈몬 신호와 전자 신호를 동시에 동일한 정보 지원1,2,3으로 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 이송됩니다8,9. 표면 플라즈몬은 하나의 나노 와이어 말단과 겹치는 회절 제한 지점에 근적외선 레이저 빔을 집중시킴으로써 나노 와이어에서 발사됩니다5,9. 충분히 큰 나노 와이어의 경우, 표면 플라즈몬 모드는 유리 기판(9,10)으로 누출됩니다. 이 누출 방사선은 누출 방사선 현미경9,11의 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.
Plasmonics는 표면 플라즈몬 폴라리톤1,2,3이라고 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(self-assembly technique) 14과 같은 특정한 복잡한 프리패터닝(prepatterning)이 없다면, 나노와이어는 일반적으로 기판 상에 무작위로 배향됩니다. 이러한 제어되지 않은 방향 분포는 외부 전원에 대한 나노와이어의 전기적 연결을 크게 복잡하게 만듭니다.
이 기사에서는 무작위 방향의 화학적으로 합성된 은 나노와이어가 소스 및 드레인 전기 단자에 의해 성공적으로 접촉합니다. 이를 위해 광학 현미경은 전자빔 리소그래피와 결합되어 나노 와이어를 정확하게 찾고 전기 접점15,16을 생성합니다. 회로의 전기 플라즈몬 성능을 평가하는 특성화 절차가 설명됩니다. 전극 제작 후, 접촉된 나노와이어는 표면 플라즈몬의 전파에 대한 전자 흐름의 영향을 분석하기 위해 표면 플라즈몬 누설 방사선 현미경으로 전달됩니다. 현미경은 높은 개구수 오일 이멀젼 대물렌즈와 두 개의 전하 결합 소자(CCD) 카메라가 각각 공액 물체 평면과 공액 푸리에 평면에 배치된 반전 베이스를 사용합니다. 이 두 켤레 평면은 표면 플라즈몬 특성에 대한 상호 보완적인 정보를 제공합니다. 전파의 세부 사항은 이미지 평면 분석에서 직접 추론되는 반면, 운동량 분포는 푸리에 평면 이미징9에 의해 시각화됩니다.
표면 플라즈몬은 유리/공기 계면의 회절 제한 지점에 근적외선 레이저 빔을 집중시켜 개별 나노와이어에서 여기됩니다. 나노와이어 말단이 초점 영역 내부에 정렬되면 산란된 입사 레이저 광은 광범위한 파동 벡터의 분포를 생성하며, 그 중 일부는 표면 플라즈몬의 여기와 공명합니다. 이 표면파의 전파는 기판에서 방출되는 모드의 누출을 수집하거나 나노와이어 말단부에 흩어져 있는 플라즈몬을 관찰하여 시각화됩니다. leaky surface plasmon mode의 전파 길이와 유효 지수는 dual-plane leakage radiation microscopy에서 강도 분포를 분석하여 측정합니다.
나노와이어에서 표면 플라즈몬이 발생하면 나노와이어의 각 끝에 있는 드레인 및 소스 단자가 조절된 전압 공급 장치에 연결됩니다. CCD 카메라는 나노와이어를 통해 흐르는 전류의 함수로 표면 플라즈몬 특성을 실시간으로 모니터링합니다. 전기 전달 특성의 각 값에 대해 표면 플라즈몬 모드의 유효 지수와 전파 길이가 결정됩니다. 이 절차를 통해 전자와 플라즈몬7의 수송을 동시에 유지하기 위해 나노 와이어 기반 회로의 한계를 추정 할 수 있습니다.
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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.
2. 전자빔 리소그래피에 의한 유리 기판에 거시적 정렬 랜드 마크 준비
3. 기판에 나노 와이어의 증착
4. 광학 현미경으로 나노 와이어 찾기
5. 전자빔 리소그래피, 열 증발 및 화학적 리프트오프에 의한 전극 제작
6. 표면 플라즈몬 누출 방사선 현미경으로 전송
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그림 2(a)는 위에서 설명한 프로토콜을 사용하여 합성된 전형적인 길이 10 mm의 Ag 나노와이어의 주사 전자 현미경 사진을 보여줍니다. 나노와이어의 너비는 그림 2(b)의 왼쪽 끝부분 확대도에서 보는 바와 같이 200 nm입니다. 이 그림은 결정 성장의 5회 대칭성을 명확하게 보여줍니다. 나노와이어 표면에는 눈에 띄는 결함(예: 킹크, 입자 등)이 없습니다. 합성을 통해 나노와이어의 길이와 너비가 넓게 분포됩니다. 그림 2(a)에서 가장 두꺼운 나노와이어 주변으로 더 짧고 작은 나노와이어들이 뚜렷하게 보입니다.
그림 3은 유리 기판 위에 리소그래피로 형성된 정렬 마크의 전형적인 주사 전자 현미경 사진을 보여줍니다. 기록 영역의 모서리에 위치한 4개의 큰 정렬 마크(실선 화살표)는 연속적인 리소그래피 단계 간의 좌표계를 보고하...
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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...
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저자는 경쟁하는 금전적 이해관계가 없음을 선언합니다.
이러한 결과로 이어진 연구는 유럽 공동체의 제7차 프레임워크 프로그램 FP7/2007–2013 Grant Agreement no 306772 및 Grant ERC-2007-StG No. 203872-COMOSYEL에 따라 유럽 연구 위원회로부터 자금을 지원받았습니다. 이 연구는 또한 Grant Plastips(ANR-09-BLAN-0049) 산하의 ANR(Agence Nationale de la Recherche)에서 부분적으로 자금을 지원합니다. A. S.는 PARI 프로그램의 Région de Bourgogne에서 박사 후 장학금을 받은 것에 대해 감사를 표합니다. MS는 중국 장학금 위원회(Chinese Scholarship Council)의 급여를 인정합니다. D.Z.는 중국 국립자연과학재단(National Natural Science Foundation of China)의 보조금 11004182 및 61036005 지원을
인정합니다.액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 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 |
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