Zilveren nanodraden kunnen tegelijkertijd elektronen en optische informatie vervoeren in de vorm van oppervlakteplasmonen. Hier wordt een procedure beschreven om een dergelijke gedeelde circuit te realiseren en de beperkingen bij het propageren van beide informatiedragers worden geëvalueerd.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Plasmonische transport evalueren in stroomvoerende zilveren nanodraden
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Plasmonics is een opkomende technologie die in staat is om tegelijkertijd een plasmonisch signaal en een elektronisch signaal op hetzelfde informatiedrager te transporteren1,2,3. In deze context zijn metalen nanodraden bijzonder wenselijk voor het realiseren van dichte routeringsnetwerken4. Een voorwaarde om zo'n gedeeld nanodraad-gebaseerd platform te bedienen, is onze capaciteit om elektrisch contact te maken met individuele metalen nanodraden en efficiënt oppervlakteplasmon polaritonen5 te exciteren in deze informatiedrager. In dit artikel beschrijven we een protocol om elektrische aansluitingen te brengen op chemisch gesynthetiseerde zilveren nanodraden6 willekeurig verdeeld op een glazen substraat7. De posities van de nanodraadeinden met betrekking tot vooraf gedefinieerde landmarks worden nauwkeurig gelokaliseerd met behulp van standaard optische transmissiemicroscopie vóór inkapsling in een elektronen-gevoelige resist. Trennen die de elektrode-lay-out vertegenwoordigen, worden vervolgens ontworpen door elektronenstraal lithographie. Metaalelektroden worden vervolgens gemaakt door thermisch verdampen van een Cr/Au-laag gevolgd door een chemische lift-off. De benaderd zilveren nanodraden worden tenslotte overgebracht naar een lekachtige stralingsmicroscoop voor oppervlakteplasmon excitatie en karakterisering8,9. Oppervlakteplasmons worden in de nanodraden gelanceerd door een nabij-infrarood laserstraal te focussen op een diffractie-beperkte vlek die een nanodraadeinde overlapt5,9. Voor voldoende grote nanodraden lekt de oppervlakteplasmon modus in de glazen substraat9,10. Deze lekachtige straling wordt gemakkelijk gedetecteerd, geïmagerd en geanalyseerd in de verschillende geconjugeerde vlakken in lekachtige stralingsmicroscopie9,11. De elektrische aansluitingen hebben geen invloed op de plasmonvoortplanting. Echter, een stroom-geïnduceerde morfologische verslechtering van de nanodraad degradeert drastisch de stroom van oppervlakteplasmons. De combinatie van lekachtige stralingsmicroscopie met oppervlakteplasmon en een gelijktijdige analyse van de elektrische transportkarakteristieken van de nanodraad onthult de intrinsieke beperkingen van dergelijke plasmonische circuiterijen.
Inleiding
Plasmonics heeft tot doel elektronica en fotonica samen te voegen op een gedeelde fysische ondergrond via de bemiddeling van een elektronen dichtheidsgolf genaamd een oppervlakteplasmon polariton1,2,3. Oppervlakteplasmons kunnen in verschillende golfgeleider geometrieën en interfaces reizen. Onder hen zijn metalen nanodraden bijzonder wenselijk. Als quasi-eendimensionale structuren beperken ze het plasmonveld drastisch tot dieper dan subgolflengte terwijl ze fungeren als elektrische interconnecties die een elektronenstroom kunnen onderhouden zoals afgebeeld in de artistieke tekening van Figuur 1.
Zowel de voortplanting van oppervlakteplasmons als de elektronentransport zijn gevoelig voor structurele ongelijkheden van de nanodraad (bijv. kinks, kristallijne defecten, etc.). Omdat ze kunnen groeien als een enkel kristal met weinig defecten, bieden chemisch-gesynthetiseerde metalen nanodraden6 typisch verbeterde transportprestaties ten opzichte van amorphe metalen nanodraden die gefabriceerd zijn door top-down benaderingen (bijv. elektronenbundel litografie)12. De realisatie van een plasmonische netwerk eenheidscel vereist het overbrengen van de nanodraden van een colloïdale oplossing naar een glazen substraat. Zonder enige specifieke complexe voorpatroon zoals oppervlakte functionarisering13 of zelfassemblage technieken14, zijn nanodraden over het algemeen willekeurig georiënteerd op het substraat. Deze ongecontroleerde verdeling van oriëntaties bemoeilijkt de elektrische verbinding van de nanodraad met een externe stroombron drastisch.
In dit artikel worden willekeurig georiënteerde chemisch-gesynthetiseerde zilveren nanodraden met succes gecontacteerd door bron- en afvoer elektrische terminalen. Voor dit doel wordt optische microscopie gecombineerd met elektronenbundel litografie om de nanodraad precies te lokaliseren en elektrische contacten te creëren15,16. Een karakteriseringsprocedure die de elektro-plasmonische prestaties van de circuit geevalueerd wordt beschreven. Na elektrode fabricage worden de gecontacteerde nanodraden overgebracht naar een oppervlakteplasmon lekkage straling microscoop voor het analyseren van het effect van een elektronenstroom op de voortplanting van oppervlakteplasmons. De microscoop gebruikt een omgekeerde basis uitgerust met een hoog numeriek apertuur olie-immersie objectief en twee charge-coupled device (CCD) camera's geplaatst in het geconjugeerde objectvlak en geconjugeerde Fourier vlak, respectievelijk. Deze twee geconjugeerde vlakken bieden complementaire informatie over oppervlakteplasmon eigenschappen. Details van de voortplanting worden direct afgeleid uit beeldvlak analyse, terwijl de momentum verdeling wordt gevisualiseerd door Fourier vlak beeldvorming9.
Oppervlakteplasmons worden in een individuele nanodraad opgewonden door een nabij-infrarood laserstraal te focussen in een diffractie-beperkte spot op het glas/lucht grensvlak. Wanneer een nanodraadeinde wordt uitgelijnd in de focale regio, creëert het verstrooide incidente laserlicht een brede verdeling van golfvectoren, sommige daarvan resonant met de opwekking van een oppervlakteplasmon. De voortplanting van deze oppervlaktegolf wordt gevisualiseerd door het lekken van de modus uitgezonden in het substraat te verzamelen of door het plasmon waargenomen aan het distale uiteinde van de nanodraad. De voortplantingslengte en effectieve index van de lekkende oppervlakteplasmon modus worden gemeten door de intensiteitsverdelingen te analyseren in een dubbel-vlak lekkage straling microscopie.
Zodra een oppervlakteplasmon zich in de nanodraad ontwikkelt, worden de afvoer- en bronterminalen aan elke uiteinde van de nanodraad verbonden met een gereguleerde spanningsbron. De CCD camera's monitoren in real time de oppervlakteplasmon eigenschappen als functie van de stroom die door de nanodraad stroomt. Voor elke waarde van de elektrische overdrachtskarakteristiek worden de effectieve index en de voortplantingslengte van de oppervlakteplasmon modus bepaald. Deze procedure maakt het mogelijk de beperking van een nanodraad-gebaseerde circuit te schatten om tegelijkertijd het transport van elektronen en plasmons te onderhouden7.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Synthese van een colloïdale oplossing van zilver Nanodraden
Zilver nanodraden (Ag NW's) met een gladde oppervlakte en homogene structuur worden gesynthetiseerd met behulp van een gemodificeerde polyolen-geassisteerde methode6. Bij een typische synthese van Ag NW's worden de volgende procedures stap voor stap uitgevoerd:
- Giet 12 ml ethyleenglycol (EG) in een voorgereinigde, ronde bodem fles met dop.
- Verwarm de oplossing gedurende 1 uur op 150 °C in het oliebaad (dimethylsilicone) met magnetisch roeren op 260 rpm.
- Voeg 4 ml AgNO3 (0,2 M in EG-oplossing) toe door druppels. Tijdens dit proces verandert de kleur van de reactieoplossing van kleurloos naar transparant helder geel, wat duidt op de groei van zilverkristallen.
- Injecteer langzaam 4 ml poly-(vinylpyrrolidon) (PVP) oplossing (de concentratie is 22,2 mg/ml in EG-oplossing) in de reactieoplossing met een pipet. In de reactie dient EG zowel als oplosmiddel als reducerend middel, en de PVP stelt de zilveren enkele kristal in staat om in een bepaalde richting te groeien.
- Dek de reactiefles af met een dop. Na 150 minuten verandert de kleur van de oplossing van licht geel naar saliebont. Ten slotte ziet het colloïde er troebel zilvergrijs uit.
- Stop de reactie door de fles in een ijswaterbad te plaatsen om de temperatuur van de oplossing te verlagen.
- Breng 1 ml van de colloïdale oplossing over naar een centrifugeerbuis gevuld met 3 ml van aceton.
- Centrifugeer de buis gedurende 25 min bij 600 x g.
- Verwijder het supernatant en voeg 4 ml DI water toe.
- Herhaal stappen 1.8-1.9 minstens 3 keer om het overtollige EG en PVP te verwijderen.
2. Voorbereiden van macroscopische uitlijningslandmerken op een glazen substraat door middel van elektronenbundelletrografie
- Reinig een microscopen dekglas nr. 1 ½ gekalibreerd voor olie-immersiemicroscopie in een verdunde geconcentreerde zeep oplossing [1:3] met behulp van een ultrasoon bad.
- Spoel eerst in een groot volume DI water, gevolgd door een tweede wasbeurt met isopropanol. Droog het dekglas af met stikstof.
- Pipet 160 ml van poly(methylmethacrylaat) (PMMA) elektronenbundel weerstand (zie tabel met reagentia) en draai het met de volgende opeenvolgende coating parameters op het NW bedekte substraat:
- 10 sec bij een snelheid van 4 x g en een versnelling van 4 x g/sec.
- 1 sec bij een snelheid van 350 x g en een versnelling van 200 x g/sec.
- 60 sec bij een snelheid van 700 x g en een versnelling van 200 x g/sec.
- Bakken het monster gedurende 10 min bij 170 °C op een hot plate.
- Herhaal stappen 2.2-2.4 om een tweede laag weerstand te produceren om liftoff aan het einde van de procedure te vergemakkelijken. Gebruik dezelfde elektronenbundel weerstand voor beide lagen.
- Sputter een dunne geleidende goudlaag (20 nm) op de bovenkant van het monster voordat u verder gaat met elektronenbundelletrografie.
- Breng het monster over naar een elektronenbundel microscoop uitgerust voor litografie. Gebruik een Faraday kooi, stel de straalstroom in op 150 pA.
- Stel het monster bloot volgens het ontwerpindeling van de rasterlandmerken met een stapgrootte ingesteld op 48 nm, een verblijftijd per pixel van 0,0243 msec voor een dosis van 150 µA/cm2.
- Ontwikkel het monster met MIBK (methyl isobutyl keton): IPA (isopropanol) met een verhouding [1:3] gedurende 45 sec. Stop het proces door het monster nog eens 45 sec in isopropanol te dompelen.
- Breng het substraat over naar een metaal verdamper werkend op een basisdruk van 8 x 10-8 mbar. Deponeer bij een verdampingssnelheid van 0,1 nm/sec 2 nm Cr (hechtingslaag) gevolgd door 70 nm Au.
- Ga door met een chemische lift-off van het monster met behulp van aceton verwarmd op 70 °C gedurende ongeveer 1,5 uur.
3. Deponeren van de nanodraden op het substraat
- Verdun de nanodraadoplossing in ethanol om een nanodraadensheid op het substraat te verkrijgen van ongeveer één nanodraad per 10 µm2.
- Pipet 50 µl van de oplossing en druppel het op het voorbewerkte substraat. Droog af met stikstof.
4. Lokaliseren van de nanodraden door middel van een optische microscoop
- Plaats het met nanodraden versierde substraat op een standaard gekalibreerd optische microscoop.
- Loceer nauwkeurig de uiteinden van een reeks geïsoleerde hoogwaardige nanodraden ten opzichte van de dichtstbijzijnde uitlijningsmarkeringen.
5. Fabricage van de elektroden door middel van elektronenbundelletrografie, thermische verdamping en chemische lift-off
- Gebruik de gemeten posities van de nanodraden om een elektrode-indeling te ontwerpen. Voeg grote ontvangstpads (50 µm x 50 µm) toe om wolfraam spanningssondes te verbinden met de elektrode die
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Figuur 2(a) toont een scanning-elektronenmicrografie van een typische Ag-nanodraad van 10 mm lang, gesynthetiseerd volgens het hierboven beschreven protocol. De breedte van de nanodraad is hier 200 nm, zoals te zien is in het detailbeeld van het linkeruiteinde in Figuur 2(b). De figuur laat duidelijk de vijfvoudige symmetrie van de kristalgroei zien. Er zijn geen zichtbare defecten op het oppervlak van de nanodraad (bijv. knikken, partikels, etc.). De synthese leidt tot...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De synthese maakt gebruik van een overmaat aan chemische oppervlakteactieve stof die achterblijft gebonden aan het oppervlak van de nanodraad zoals geïllustreerd in de transmissie-elektronenmicrografie van Figuur 9(a). Deze laag creëert een diëlektrische barrière die de stroom verhindert om door het elektrode-nanodraad-interface te stromen. Figuren 10(a) en (b) laten typische voorbeelden zien van de stroom-spanningskarakteristieken. Scherpe stroomverhogingen bij bepaalde...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.
Dankbetuigingen
Het onderzoek dat tot deze resultaten heeft geleid, heeft financiering ontvangen van de European Research Council in het kader van het Seventh Framework Program FP7/2007–2013 van de Europese Gemeenschap, Subsidieovereenkomst nr. 306772 en Subsidie ERC-2007-StG Nr. 203872-COMOSYEL. Dit werk wordt ook gedeeltelijk gefinancierd door de Agence Nationale de la Recherche (ANR) onder Subsidie Plastips (ANR-09-BLAN-0049). A. S. dankt een postdoctorale beurs van de Région de Bourgogne in het kader van het PARI-programma. M.S. erkent een beurs van de Chinese Scholarship Council. D.Z. erkent steun van de National Natural Science Foundation of China voor Subsidies 11074182 en 61036005.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| DMEM | Invitrogen | ABCD1234 | |
| Ethyleenglycol (EG) | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | T20111130 | |
| PMMA | Allresist | AR-P 679 | |
| Aceton Analar Normapur | VWR Prolabo | 20066.296 | |
| Isopropanol (IPA) Analar Normapur | VWR Prolabo | 20842.298 | |
| AgNO3 | Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd | 20080826 | |
| Poly-(vinylpyrrolidon) (PVP) | Aladdin Chemistry Co., Ltd | 1041671-31744 | |
| Dimethylsilicone | Sinopharm Group Company Limited | H201-500 | |
| Propyleenglycolmethyletheracetaat | Microchemicals Gmbh | AZ EBR | |
| Omgekeerd optisch microscoop | Nikon | TE 2000 | |
| Microscoopobjectief | Nikon | 1.49/100X TIRF Plan-Apo | |
| CCD-camera's (2x) | Andor | Luca-S | |
| Geregelde voeding | RHK | SPM 1000 | |
| Dataverzameling | RHK | SPM 1000 | |
| Stroom naar spanningsconverter | zelfgemaakt | Versterking 10 mA/V | |
| Elektronenbundelmicroscoop | JEOL | FEG 6500 | |
| Litografie-add-on | RAITH | Elphy | |
| Spincoater | PRIMUS | STT15 | |
| Thermische verdamper | PLASSYS | MEB 400 | |
| Micrometerpeiltafel (2x) | SÜSS MicroTec | PH110 | |
| Piezo-elektrische stage | Mad City Labs | Nano LP100 |
Referenties
- Ozbay, E. Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Sci. 311 (5758), 189-193 (1126).
- Zia, R., Schuller, J. A., Chandran, A., Brongersma, M. L. Plasmonics: the next chip-scale technology. Mater. Today. 9 (7), (2006).
- Genet, W., C,, Bozhevolnyi, S. I. Surface-plasmon circuitry. Phys. Today. 61 (5), 44-50 (2008).
- 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).
- Dickson, R. M., Lyon, L. A. Unidirectional Plasmon Propagation in Metallic Nanowires. J. Phys. Chem. B. 104, 6095-6098 (2000).
- 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).
- Song, M., et al. Electron-induced limitation of surface plasmon propagation in silver nanowires. Nanotechnol. 24 (9), (2013).
- Drezet, A., et al. Leakage radiation microscopy of surface plasmonpolaritons. Mater. Sci. Eng. B. 148, 220-229 (2007).
- Song, M., et al. Imaging Symmetry-Selected Corner Plasmon Modes in Penta-Twinned Crystalline Ag Nanowires. ACS Nano. 5 (7), 5874-5880 (1021).
- Miljković, V., Shegai, T., Johansson, P., Käll, M. Simulating light scattering from supported plasmonic nanowires. Opt. Express. 20 (10), 10816-10826 (2012).
- Massenot, S., et al. Polymer-metal waveguides characterization by Fourier plane leakage radiation microscopy. Appl. Phys. Lett. 91, (2007).
- Ditlbacher, H., et al. Silver Nanowires as Surface Plasmon Resonators. Phys. Rev. Lett. 95 (25), 257403(2005).
- 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).
- 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).
- Cronin, S. B., et al. Thermoelectric investigation of bismuth nanowires. 18th international conference on Thermoelectrics, , 554-557 (1999).
- Cronin, S. B., et al. Making electrical contacts yo nanowires with a thick oxide coating. Nanotechnol. 13 (5), 653(2002).
- Colasdes Francs, G., et al. Integrated plasmonic waveguides: A mode solver based on density of states formulation. Phys. Rev. B. 80 (11), 115419(2009).
- Stahlmecke, B., et al. Electromigration in self-organized single-crystalline silver nanowires. Appl. Phys. Lett. 88 (5), 053122(2006).
- 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).
- Novotny, L., Hecht, B. Princ. Nano-Opt. , Cambridge University Press. (2006).
- Wang, W. M., et al. Dip-pen nanolithography of electrical contacts to single-walled carbon nanotubes. ACS Nano. 3 (11), 35443-33551 (2009).
- Kuzyk, A. Dielectrophoresis at the nanoscale. Electrophoresis. 32 (17), 2307-2313 (2011).
- 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).
- Huang, J. -S., et al. Atomically-flat single-crystalline gold nanostructures for plasmonic nanocircuitry. Nat. Comm. 1, 150(2010).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
