Artykuł metodologiczny

Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

DOI:

10.3791/4399

⸱

27 listopada 2012

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Bezpośredni zapis laserem femtosekundowym jest często wykorzystywany do tworzenia trójwymiarowych (3D) wzorów w polimerach i szkle. Jednakże formowanie metali w 3D wciąż stanowi wyzwanie. Opisujemy metodę wytwarzania nanostruktur srebrnych osadzonych w matrycy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego o długości fali 800 nm.

Streszczenie

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

Standardowy zestaw narzędzi do nanofabrykacji obejmuje techniki ukierunkowane przede wszystkim na tworzenie wzorów 2D w mediach dielektrycznych. Tworzenie metalowych wzorów w skali submikronowej wymaga kombinacji narzędzi do nanofabrykacji oraz kilku etapów przetwarzania materiałów. Na przykład etapy tworzenia płaskich struktur metalicznych z wykorzystaniem fotolitografii ultrafioletowej i litografii wiązką elektronów mogą obejmować naświetlanie próbki, wywoływanie próbki, osadzanie metalu oraz usuwanie warstwy poświęcalnej (liftoff). Aby stworzyć trójwymiarowe struktury metaliczne, sekwencję tę powtarza się wielokrotnie. Złożoność i trudność nakładania oraz wyrównywania wielu warstw ograniczają praktyczne zastosowania trójwymiarowego strukturyzowania metalu przy użyciu standardowych narzędzi do nanofabrykacji. Bezpośredni zapis laserem femtosekundowym wyłonił się jako wiodąca technika w trójwymiarowej nanofabrykacji.1,2 Lasery femtosekundowe są często wykorzystywane do tworzenia wzorów 3D w polimerach i szkłach.3-7 Jednakże bezpośredni zapis trójwymiarowych struktur metalicznych pozostaje wyzwaniem. W niniejszej pracy opisujemy metodę wytwarzania srebrnych nanostruktur osadzonych w macierzy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego o długości fali 800 nm. Metoda ta umożliwia wytwarzanie wzorów niewykonalnych za pomocą innych technik, takich jak trójwymiarowe macierze odizolowanych srebrnych wokseli.8 Odizolowane trójwymiarowe wzory metaliczne są użyteczne w przypadku metamateriałów, w których komórki elementarne nie stykają się ze sobą,9 takich jak sprzężone rezonatory kropkowe10,11 lub sprzężone rezonatory prętowe12,13 z metalu. Potencjalne zastosowania obejmują metamateriały o ujemnym współczynniku załamania, płaszcze niewidzialności oraz soczewki idealne.

W bezpośrednim zapisie laserem femtosekundowym długość fali lasera dobiera się tak, aby fotony nie były absorbowane liniowo w ośrodku docelowym. Gdy czas trwania impulsu laserowego zostanie skrócony do skali femtosekundowej, a promieniowanie zostanie ściśle skupione wewnątrz celu, ekstremalnie wysoka intensywność indukuje absorpcję nieliniową. Równoczesna absorpcja wielu fotonów powoduje przejścia elektronowe, które prowadzą do modyfikacji materiału w obszarze ogniskowania. Stosując to podejście, można tworzyć struktury w objętości materiału, a nie tylko na jego powierzchni.

Większość prac nad bezpośrednim metalicznym zapisem 3D koncentrowała się na tworzeniu samonośnych struktur metalowych.14-16 Metoda opisana w niniejszym opracowaniu pozwala na uzyskanie submikrometrów struktur srebrnych, które nie muszą być samonośne, ponieważ są osadzone wewnątrz macierzy. Domieszkowaną macierz polimerową przygotowuje się z mieszaniny azotanu srebra (AgNO3), poliwinylopirolydonu (PVP) i wody (H2O). Próbki są następnie wzorowane poprzez naświetlanie laserem femtosekundowym o częstotliwości 11 MHz, generującym impulsy o czasie trwania 50 fs. Podczas naświetlania, poprzez absorpcję nieliniową, indukowana jest fotoredukcja jonów srebra, co prowadzi do powstania agregatu nanocząsteczek srebra w obszarze ogniskowania. Stosując to podejście, tworzymy wzory srebrne osadzone w domieszkowanej macierzy PVP. Dodanie translacji próbki w trzech wymiarach rozszerza proces wzorowania na przestrzeń trójwymiarową.

Protokół

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

1. Przygotowanie polimerowej folii domieszkowanej jonami metali

  1. Odmierz 8 ml wody do zlewki.
  2. Dodaj 206 mg PVP do wody. Mieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego lub wstrząsarki typu vortex do czasu, aż roztwór stanie się klarowny.
  3. Dodaj 210 mg AgNO3 do roztworu. Mieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego lub wstrząsarki typu vortex do czasu, aż roztwór stanie się klarowny.
  4. Pokryj szkiełko przedmiotowe roztworem metodą drop castingu.
  5. Umieść szkiełko przedmiotowe w piekarniku ustawionym na 100 °C. Wygrzewaj próbkę przez 30 min.
  6. Wyjmij próbkę z piekarnika i pozostaw do ostygnięcia na 30 min.

2. Wytwarzanie rozłącznych struktur srebrowych

  1. Ustawić układ przedstawiony na Rysunku 1 na stole optycznym z izolatorami wibracji.
  2. Dostroić kompresor, aby uzyskać impulsy o czasie trwania 50 fsec za obiektywem mikroskopu.
  3. Dostroić filtry neutralne, aby uzyskać impulsy o energii 3 nJ za obiektywem.
  4. Upewnić się, że rozmiar plamki laserowej jest większy niż tylna apertura obiektywu mikroskopu.
  5. Ustawić modulator akustyczno-optyczny tak, aby generował 10-μsec okna ekspozycji, podczas których próbka jest naświetlana.
  6. Zablokować wiązkę lasera przed dotarciem do mikroskopu i umieścić próbkę na 3-osiowym stole translacyjnym. Ścieżka wiązki impulsów lasera femtosekundowego powinna przebiegać przez obiektyw mikroskopu obrazującego do wnętrza próbki.
  7. Włączyć źródło oświetlenia mikroskopu, aby obserwować próbkę in-situ za pomocą kamery CCD.
  8. Przesunąć stół wzdłuż osi z, aby znaleźć granicę między podłożem szklanym a błoną polimerową. Następnie ponownie ustawić ostrość mikroskopu na pożądanej głębokości wewnątrz polimeru w celu wzorowania najniższej warstwy. Translacja wzdłuż osi z podczas wzorowania musi odbywać się w kierunku oddalania od granicy szkło-polimer, aby uniknąć rozpraszania na wytworzonych strukturach.
  9. Odblokować wiązkę lasera i ustawić oprogramowanie sterownika ruchu tak, aby przesuwać próbkę w kierunkach x, y i z z prędkością 100 μm/sec. Naświetlać pojedyncze woksele przez 10 μsec i oddzielać sąsiednie woksele o co najmniej kilka mikrometrów, aby zapewnić wyraźne obrazowanie in-situ. Ustawienie częstotliwości repetycji modulatora akustyczno-optycznego na 25 Hz zapewni odstęp 4 μm. Obszary naświetlone laserem będą zawierać struktury srebrne.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Modulator akustyczno-optyczny i filtry neutralnej gęstości (Rysunek 1) pozwalają na kontrolowanie ilości energii dostarczanej do próbki. Przy naświetlaniu wynoszącym 110 impulsów na woxel i 3 nJ na impuls, przy przesuwaniu stolika z prędkością 100 μm/sec, powstałe struktury srebrne są łatwo widoczne pod mikroskopem optycznym in-situ. Niższe poziomy naświetlania laserem (poprzez zmniejszenie energii impulsu i/lub liczby impulsów) prowadzą do powstania mniejszych elementów srebrnych; zaobserwowali...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Kluczem do tego procesu jest uzyskanie domieszkowanej macierzy dielektrycznej, która umożliwia wytwarzanie o wysokiej rozdzielczości, a jednocześnie nie ulega szybkiej degradacji po przygotowaniu. Prosta mieszanina PVP, AgNO3 i H2O pozwala na tworzenie srebrnych nanostruktur o wysokiej rozdzielczości, które są osadzone wewnątrz macierzy wspierającej. Zmiana stosunku PVP do AgNO3 wpłynie na energię lasera niezbędną do wytwarzania oraz potencjalnie na inne właściwości, takie jak rozdzielczo...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

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

Dziękujemy Paulowi J. L. Websterowi za rendering 3D danych optycznych w programie Amira. Phil Muñoz i Benjamin Franta przekazali uwagi do manuskryptu na różnych etapach jego opracowywania. Badania opisane w niniejszym artykule były wspierane przez Air Force Office of Scientific Research w ramach grantów FA9550-09-1-0546 oraz FA9550-10-1-0402.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Bezpo redni zapis laserem femtosekundowymwytwarzanie nanostruktur srebrnychtr jwymiarowe wzorowanie metaliosadzanie w matrycy polimerowejfotoredukcja jon w srebraanaliza za pomoc mikroskopii optycznejskaningowa mikroskopia elektronowatr josiowy st pozycjonuj cylaser tytanowo szafirowyfiltry neutralne

Powiązane artykuły