Methodenartikel

Een methode om Disconnected Silver Nanostructuren Vervaardig in 3D

DOI:

10.3791/4399

⸱

27 november 2012

 ,  , 
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University , 2Department of Physics, Harvard University

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Femtoseconde-laser direct-writing wordt vaak gebruikt om drie-dimensionale (3D) patronen te creëren in polymeren en glazen. Echter, patronen metalen in 3D blijft een uitdaging. We beschrijven een werkwijze voor het vervaardigen zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De standaard nanofabricage toolkit bevat technieken in de eerste plaats gericht zijn op het creëren van 2D patronen in diëlektrische media. Het maken van metalen patronen op een submicron schaal vereist een combinatie van nanofabricage gereedschappen en diverse materialen processtappen. Bijvoorbeeld, op een steenworp te creëren vlakke metalen structuren met behulp van ultraviolet fotolithografie en electron-beam lithografie kan monster blootstelling, steekproef ontwikkeling, metaalafzetting, en metalen lancering op te nemen. Om 3D-metalen structuren te creëren, wordt de volgorde meerdere malen herhaald. De complexiteit en de moeilijkheidsgraad van het stapelen en het afstemmen van meerdere lagen beperkt praktische implementaties van 3D-metalen structureren met behulp van standaard nanofabricage gereedschap. Femtoseconde-laser direct-writing heeft zich ontpopt als een bij uitstek techniek voor 3D-nanofabricage. 1,2 Femtoseconde lasers worden vaak gebruikt om 3D-patronen in polymeren en glazen te creëren. Drie-zeven echter 3D metaal met directe schrijven blijft een uitdaging. Hier, webeschrijven een methode om zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm fabriceren. De werkwijze maakt het vervaardigen van patronen niet mogelijk met andere technieken, zoals 3D arrays van losse zilver voxels. 8 Disconnected 3D metaalpatronen bruikbaar voor metamaterials wanneer eenheidscellen niet in contact met elkaar, 9 zoals gekoppelde metalen dot 10, 11 of gekoppelde metalen staaf 12,13 resonatoren. Mogelijke toepassingen zijn negatieve index metamaterialen, onzichtbaarheidsmantels, en een perfecte lenzen.

In femtoseconde-laser direct schrijven, wordt de lasergolflengte gekozen dat fotonen lineair niet geabsorbeerd in het doelmedium. Wanneer de laser pulsduur wordt gecomprimeerd tot de femtoseconde tijdschaal en de straling strak gericht in het doel, de extreem hoge intensiteit induceert lineaire absorptie. Fotonen worden geabsorbeerd gelijktijdigely tot elektronische overgangen die leiden tot materiële wijzigingen in het gericht regio veroorzaken. Met deze aanpak kan men vormen structuren in de bulk van een materiaal in plaats van op het oppervlak.

Het meeste werk op 3D directe metalen schrijven is gericht op het creëren zelfdragende metalen constructies. Veertien-zestien De hier beschreven methode levert sub-micrometer zilver structuren die niet hoeven te worden zelf ondersteund, omdat ze zijn ingebed in een matrix. Een gedoteerde polymeermatrix wordt bereid met een mengsel van zilvernitraat (AgNO 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) en water (H2O). Monsters worden vervolgens patroon door bestraling met een 11-MHz femtosecondelaser die 50-fs pulsen. Tijdens de bestraling wordt fotoreductie van zilver-ionen opgewekt door middel van niet-lineaire absorptie, het creëren van een totaal van zilveren nanodeeltjes in het brandpunt regio. Met behulp van deze aanpak creëren we zilver patronen ingebed in een gedoteerde PVP-matrix. Toevoegen van 3D vertaling van de svoldoende breidt de patroon naar drie dimensies.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Voorbereiden Metal-ion Doped polymeerfilm

  1. Meet 8 ml water in een bekerglas.
  2. Voeg 206 mg PVP aan water. Meng met behulp van magnetische roerder of vortex mixer tot de oplossing helder is.
  3. Voeg 210 mg van AgNO 3 tot oplossing. Meng met behulp van magnetische roerder of vortex mixer tot oplossing helder is.
  4. Coat glasplaatje met oplossing door daling gieten.
  5. Glasplaatje plaats in een oven op 100 ° C. Bak monster gedurende 30 minuten.
  6. Verwijder monster uit de oven en laat afkoelen gedurende 30 minuten.

2. Fabricage van Disconnected Silver Structures

  1. Lijn setup afgebeeld in figuur 1 op optische tafel met trillingsdempers.
  2. Stel de compressor tot 50-FSEC pulsen te verkrijgen na microscoop doelstelling.
  3. Pas neutrale dichtheid filters om 3-nJ pulsen te verkrijgen na de doelstelling.
  4. Zorg ervoor dat laserspot groter is dan terug diafragma van microscoop doelstelling.
  5. Stel acousto-optische modulator 10 psec belichtingsvensters waarin het monster wordt bestraald produceren.
  6. Blokkeren laserstraal voordat zij tot de microscoop en de plaats monster op 3-assige vertaling podium. De stralengang van de femtoseconde laserpulsen moet door het imaging microscoopobjectief en in het monster.
  7. Schakel microscoop verlichtingsbron het monster nemen in-situ met CCD camera.
  8. Vertalen z-as van stadium grensvlak tussen glassubstraat en polymeerfilm vinden. Vervolgens heroriënteren microscoop om de gewenste diepte in polymeer voor patroonvorming onderste laag. Z-translatie tijdens de patroonvorming moeten in de richting van de glas-polymeer interface verstrooiing vermijden met gefabriceerde structuren.
  9. Deblokkeren laserstraal en set motion-controller software om monster te vertalen in x -, y - en z - richtingen met een snelheid van 100 micrometer / sec. Bestralen enkele voxels voor 10 usec eennd afzonderlijke naburige voxels met ten minste enkele micrometers voor duidelijke in-situ imaging. Waarin acousto-optische modulator herhalingssnelheid tot 25 Hz zal produceren 4-um afstand. Laser blootgestelde gebieden bevat zilver structuren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De acousto-optische modulator en grijsfilters (figuur 1) doen vrezen hoeveelheid energie gestort in de sample. Met een blootstelling van 110 pulsen per voxel en 3 nJ per puls van fase vertalen van 100 um / sec, de resulterende zilver structuren gemakkelijk zichtbaar door de in-situ optische microscoop. Lagere laser blootstellingsniveaus (vermindering pulsenergie en / of aantal impulsen) leiden tot kleinere zilveren kenmerken;. We hebben waargenomen functies zo klein als 300 nm 8 Het ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De sleutel tot het verkrijgen van een proces gedoteerde diëlektrische matrix die hoge resolutie fabricage mogelijk, maar niet snel afgebroken na bereiding. Een eenvoudige mengsel van PVP, AgNO 3 en H 2 O maakt het mogelijk een hoge resolutie zilver nanostructuren die zijn ingebed in een ondersteunende matrix. Het variëren van de PVP bij AgNO 3 ratio verandert de laser benodigde energie voor fabricage, en mogelijk andere eigenschappen zoals feature resolutie. Een laag ratio leidt tot snel...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Geen belangenconflicten verklaard.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wij erkennen Paul JL Webster voor de 3D-weergave van optische gegevens met Amira. Phil Muñoz en Benjamin Franta die feedback op het manuscript in hun ontwikkeling. Het onderzoek beschreven in dit document werd ondersteund door de luchtmacht van het Wetenschappelijk Onderzoek in subsidies FA9550-09-1-0546 en FA9550-10-1-0402.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. von Freymann, G., et al. Three-Dimensional Nanostructures for Photonics. Advanced Functional Materials. 20, 1038-1052 (2010).
  2. LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A. Multiphoton Fabrication. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6238-6258 (2007).
  3. Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).
  4. Li, L., Gattass, R. R., Gershgoren, E., Hwang, H., Fourkas, J. T. Achieving λ/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization. Science. 324, 910-913 (2009).
  5. Haske, W., et al. 65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography. Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).
  6. Xing, J. F., et al. Improving spatial resolution of two-photon microfabrication by using photoinitiator with high initiating efficiency. Appl. Phys. Lett. 90, 131106(2007).
  7. Tan, D., et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. Appl. Phys. Lett. 90, 071106(2007).
  8. Vora, K., Kang, S., Shukla, S., Mazur, E. Fabrication of disconnected three-dimensional silver nanostructures in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett. 100, 063120(2012).
  9. Güney, D. Ö, Koschny, T., Soukoulis, C. M. Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial. Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).
  10. Grigorenko, A. N., et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies. Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).
  11. Grigorenko, A. N. Negative refractive index in artificial metamaterials. Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).
  12. Shalaev, V. M., et al. Negative index of refraction in optical metamaterials. Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).
  13. Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies. Appl. Phys. Lett. 91, 113118(2007).
  14. Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S. Two-photon-induced reduction of metal ions for fabricating three-dimensional electrically conductive metallic microstructure. Appl. Phys. Lett. 88, 081107(2006).
  15. Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Improvement in the reduction of silver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye. Appl. Phys. Lett. 89, 113102(2006).
  16. Cao, Y. -Y., Takeyasu, N., Tanaka, T., Duan, X. -M., Kawata, S. 3D Metallic Nanostructure Fabrication by Surfactant-Assisted Multiphoton-Induced Reduction. Small. 5, 1144-1148 (2009).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Femtoseconde laser direct writingfabricage van zilveren nanostructuren3D metaalpatroneringinbedding in polymeermatrixfotoreductie van zilverionenoptische microscopie analysescanning elektronenmicroscopiedrie assige translatiepodiatitanium saffierlaserneutrale dichtheidsfilters

Gerelateerde artikelen