Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Nanoformowanie materiałów funkcjonalnych, wszechstronna metoda komplementarnej replikacji wzoru do nanoimprintingu

11.4K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/50177

⸱

23 stycznia 2013

 ,  ,  ,  ,  , 
1Institute of Microengineering (IMT), Photovoltaics and Thin Film Electronics Laboratory, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), 2Department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California, Berkeley

W tym artykule

Podsumowanie

Opisujemy technikę nanoformowania, która pozwala na tanie wzorowanie na nanoskali funkcjonalnych materiałów, stosów materiałów i całych urządzeń. Nanoformowanie może być wykonywane na dowolnym zestawie nanoimprintingu i może być stosowane do szerokiej gamy materiałów i procesów osadzania.

Streszczenie

Opisujemy technikę nanoformowania, która pozwala na tanie wzorowanie na nanoskali funkcjonalnych materiałów, stosów materiałów i całych urządzeń. Nanoformowanie w połączeniu z przenoszeniem warstw umożliwia replikację dowolnych wzorów powierzchni ze struktury głównej na materiał funkcjonalny. Nanoformowanie może być wykonywane na dowolnym zestawie nanoimprintingu i może być stosowane do szerokiej gamy materiałów i procesów osadzania. W szczególności demonstrujemy wytwarzanie wzorzystych przezroczystych elektrod z tlenku do zastosowań związanych z zatrzymywaniem światła w ogniwach słonecznych.

Wprowadzenie

Nanopatterning zyskał ogromne znaczenie w wielu dziedzinach nanotechnologii i nauk stosowanych. Generowanie wzorców jest pierwszym krokiem i może być realizowane za pomocą podejść odgórnych, takich jak litografia wiązką elektronów lub podejść oddolnych opartych na metodach samoorganizacji, takich jak litografia nanosferyczna lub litografia z kopolimerów blokowych 1. Równie ważna jak generowanie wzorców jest replikacja wzorców. Oprócz fotolitografii, nanoimprinting (ryc. 1) okazał się obiecującą alternatywą, w szczególności nadającą się do wysokoprzepustowego modelowania nanoskali na dużych obszarach przy niskich kosztach 2-4. Podczas gdy fotolitografia wymaga wzorzystej maski, nanoimprinting opiera się na prefabrykowanej strukturze głównej. Przenoszenie wzoru z wzorca jest zwykle wykonywane do polimeru termoplastycznego lub polimeru utwardzanego promieniami UV lub termicznie. Istnieje jednak wiele przypadków, w których pożądane jest przeniesienie wzoru bezpośrednio na materiał funkcjonalny

.

Tutaj opisujemy metodę replikacji opartą na nanoformowaniu i transferze warstw (Rysunek 2), którą niedawno wprowadziliśmy w Ref. 5 do przenoszenia wzorów w nanoskali na funkcjonalne elektrody z tlenku. Nasza metoda nanoformowania może być łatwo wdrożona, jeśli dostępna jest konfiguracja do nanoimprintingu. Nanoformowanie daje się uogólnić na wiele innych materiałów funkcjonalnych, stosów materiałów, a nawet kompletnych urządzeń, pod warunkiem, że materiał formy zostanie wybrany w taki sposób, aby był kompatybilny z procesem(-ami) osadzania materiału. Jako przykład przedstawiamy tutaj nanoformowanie przezroczystych przewodzących elektrod z tlenku (ZnO) osadzonych w procesie chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), które znajdują zastosowanie w celu zwiększenia zatrzymywania światła w ogniwach słonecznych 5.

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

Protokół

1. Produkcja form

Używamy naszego domowego zestawu do nanoimprintingu do produkcji formy negatywowej zgodnie z Ref. 6, ale każdy alternatywny zestaw nanoimprintingu będzie działał poprawnie. Alternatywnie może również działać funkcjonalizowana forma z polidimetylosiloksanu (PDMS).

  1. Wyprodukuj lub kup odpowiedni wzorzec z nanoskalowym wzorcem, który ma zostać przeniesiony. W zasadzie każdy mistrz odpowiedni do nanoimprintingu wykona to zadanie. Używamy teksturowanej warstwy ZnO na tafli szkła (Schott, AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) osadzonej zgodnie z opisem w ppkt 3.1 jako struktury wzorcowej w celu zilustrowania metody.
  2. Nałożyć warstwę antyadhezyjną na konstrukcję wzorcową zgodnie z opisem w punkcie 2.
  3. Wyczyść arkusz naftalanu etylenu (PEN) (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) w ultradźwiękowej kąpieli acetonowej przez 2 minuty, a następnie w ultradźwiękowej kąpieli izopropanolowej przez kolejne 2 minuty. Spłucz ponownie izopropanolem i wysusz suszarką azotem.
  4. Umieść napyloną warstwę adhezyjną Cr (5-10 nm) na arkuszu PEN.
  5. Żywicę utwardzaną promieniami UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) należy obrócić na arkuszu PEN z prędkością 5 000 obr./min, aby uzyskać równomierne pokrycie.
  6. Wykonaj wstępne pieczenie przez 5 minut na płycie grzejnej w temperaturze 80 °C, aby odparować rozpuszczalnik, poprawić jednorodność filmu i przyczepność do arkusza PEN.
  7. Użyj zestawu do nanoimprintingu, aby wytłoczyć wzór wzorcowy w żywicy utwardzanej promieniami UV. Chociaż nie jest to obowiązkowe, wykonujemy tłoczenie w próżni, aby zapobiec wtrąceniom pęcherzyków, stosując jednorodny nacisk 1 bar na elastyczną membranę silikonową. W naszej konfiguracji membrana silikonowa dzieli komorę próżniową na dwie podkomory. Ciśnienie jest wytwarzane przez odpowietrzenie górnej komory, podczas gdy dolna komora pozostaje pod próżnią. Wentylacja popycha elastyczną membranę w kierunku dołu, inicjując tłoczenie.
  8. Wystaw żywicę na działanie światła UV, aby sprowokować reakcję sieciowania żywicy. Stosujemy umiarkowane natężenie światła 1,4 mW/cm2 przy długości fali 365 nm zapewnianej przez kilka diod LED. Czas naświetlania przez arkusz PEN wynosi zwykle 15-20 minut.
  9. Ostrożnie wyjmij z formy, ręcznie odklejając formę od konstrukcji głównej.
  10. Ponieważ żywica może ulegać lekkiemu skurczowi podczas osadzania się materiału funkcjonalnego, co może prowadzić do samoistnego łuszczenia, przed dalszą obróbką przeprowadzamy łagodne termiczne wypalanie w temperaturze 150 °C przez 6-8 godzin w piecu z atmosferą otoczenia.

2. Warstwa antyadhezyjna

Aby udane wyjęcie z formy, warstwa antyadhezyjna musi być dostosowana do materiałów i chropowatości wzoru. Ogólnie rzecz biorąc, szorstkie wzory wymagają niskich współczynników przylegania. Niskie współczynniki przylegania do gładkich wzorów mogą prowadzić do odklejania się materiału funkcjonalnego od formy. Wysokie współczynniki przylegania do szorstkich wzorów mogą powodować odklejanie się żywicy od arkusza PEN podczas produkcji formy, ponieważ przyleganie żywicy do wzorca jest silniejsze.

  1. Pokryć formę (lub wzorzec) napyloną warstwą chromu (5-10 nm), aby zwiększyć przyczepność środka zapobiegającego adhezji. W przypadku gładkich wzorów rezygnujemy z tego kroku. W niektórych przypadkach warstwa chromu może uniemożliwić środek antyadhezyjny wytrawienie struktury głównej.
  2. Nanieś niewielką kroplę środka antyadhezyjnego (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorosilan) na szkiełko podstawowe. Umieść szkiełko szkiełkowe razem z formą w komorze próżniowej i odpompuj w dół. Środek antyadhezyjny odparuje i osadzi się jako monowarstwa molekularna na formie.
  3. Zakotwiczyć środek antyadhezyjny przez wyżarzanie w ciągu 1-2 godzin w temperaturze 80 °C.

3. Osadzanie materiału

Pokazujemy tutaj trzy techniki osadzania odpowiednie do osadzania materiałów, aby zilustrować wszechstronność nanoformowania. Można również zastosować inne techniki osadzania. Trzeci przykład opisuje wytwarzanie kompletnego cienkowarstwowego krzemowego ogniwa słonecznego.

  1. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) tlenku: Umieścić formę na płycie grzewczej reaktora CVD podgrzanej do 180 °C. Użyj metalowej ramy, aby uniknąć wygięcia formy PEN podczas osadzania ZnO. Zamknij reaktor, odpompuj w dół i pozwól na termizację. Dopuścić gazy prekursorowe (H2Oi (C2H5)2Zn). Dodatkowo dozujemy niewielkie ilości B2H6 do dopingu. Grubość warstwy ZnO jest proporcjonalna do czasu osadzania. Stosujemy warstwy ZnO o grubości typowo 1-5 μm. Szczegółowe informacje na temat typowych parametrów osadzania można znaleźć w ref. 7
  2. Fizyczne osadzanie z fazy gazowej (PVD)/napylanie srebra: Włożyć formę do systemu PVD. Zamknij system i odpompuj. Dopuścić gaz procesowy argonu. Włącz generator prądu stałego. Grubość warstwy Ag jest ponownie proporcjonalna do czasu osadzania. Stosujemy warstwy Ag o grubości typowej 1 μm. Typowe parametry osadzania to ciśnienie argonu 5,5x10-3 mbar i właściwa moc prądu stałego 250 W, co daje szybkość stapiania około 45 nm/s.
  3. Chemiczne osadzanie z fazy gazowej wspomagane plazmą (PE-CVD): Osad ZnO jak w ppkt 3.1). Umieścić formę w reaktorze PE-CVD podgrzanym do temperatury 200 °C. Zamknąć reaktor, odpompować i umożliwić termizację. Dopuścić gazy prekursorowe (SiH4 i H2). Ponadto dozujemy niewielkie ilości B(CH3)3 i PH3, aby uzyskać odpowiednio domieszkowanie typu p i n. Aby zwiększyć napięcie obwodu otwartego ogniw słonecznych, używamy również niewielkich ilości CH4 i CO2 dla warstw domieszkowanych. Po osadzeniu stosu amorficznych krzemowych ogniw słonecznych p-i-n osadzamy styk zwrotny ZnO, jak opisano w 3.1.
  4. Należy unikać nadmiernego wyginania formy, ponieważ może to spowodować łuszczenie się nałożonej warstwy.

4. Transfer warstw

Używamy szkiełek szkiełkowych (Schott AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) jako końcowego podłoża. Ale alternatywnie można zastosować inne podłoża, w tym folie metalowe lub arkusze polimerowe.

  1. Szkiełka podstawowe należy oczyścić acetonem i izopropanolem i wysuszyć azotem.
  2. Żywica utwardzana promieniami UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) na szkiełku podstawowym z prędkością 5 000 obr./min.
  3. Użyj zestawu do nanoimprintingu, aby zakotwiczyć formę przenoszącą osadzone warstwy na końcowym podłożu. Jeśli chodzi o tłoczenie, kotwienie wykonujemy w próżni poprzez zastosowanie jednorodnego ciśnienia 1 bar.
  4. Wystaw żywicę na działanie światła UV, aby sprowokować reakcję sieciowania. Stosujemy umiarkowane natężenie 1,4 mW/cm2 przy długości fali 365 nm zapewnianej przez kilka diod LED. Czas naświetlania przez szkiełko wynosi tylko 1-3 minuty ze względu na wyższą przepuszczalność szkła UV w porównaniu do PEN.
  5. Wyjmować z formy poprzez ręczne zdejmowanie formy ze szkiełka podstawowego.

5. Charakterystyka próbki

  1. Użyj swojej ulubionej techniki morfologicznej, elektrycznej lub optycznej, aby scharakteryzować próbki formowane w nanoformie. Tutaj charakteryzujemy nasze nanoformowane próbki za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i mikroskopii sił atomowych (AFM).

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

Wyniki

Rycina 3 podsumowuje niektóre ilustracyjne przykłady struktur nanformowanych. Na obrazie (a) przedstawiono strukturę matrycy z ZnO wyhodowaną metodą CVD na szkle. Odpowiadająca jej nanformowana replika z ZnO pokazana jest na obrazie (d). Porównanie histogramów lokalnej wysokości (g) i kąta (j) wyodrębnionych z obrazów AFM wykazuje wysoką wierność procesu nanformowania. Analogiczne wyniki przedstawiono dla kratki jednowymiarowej wykonanej metodą litografii interferencyjnej (b,e,h,k) oraz aluminium tekstur...

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

Dyskusja

Nanoformowanie umożliwia przenoszenie nanowzorów na dowolne materiały funkcjonalne. Porównanie poszczególnych etapów przetwarzania na rysunkach 1 i 2 ujawnia ścisły związek między nanoformowaniem a nanoimprintingiem. Główną różnicą między nanoformowaniem a nanoimprintingiem jest dodatkowy etap osadzania materiału na rysunku 2e. Pozostały przebieg procesu jest identyczny. Nanoformowanie można zatem przeprowadzić na dowolnej dostępnej konfiguracji nanoimprintingu.

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

Oświadczenia

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Podziękowania

Autorzy dziękują M. Leboeuf za pomoc w AFM, W. Lee za anodycznie teksturowany aluminiowy master oraz Szwajcarskiemu Federalnemu Urzędowi Energetycznemu i Szwajcarskiej Narodowej Fundacji Nauki za finansowanie. Część tych prac została zrealizowana w ramach projektu 7PR "Szybka ścieżka" finansowanego przez KE na podstawie umowy o dofinansowanie nr 283501.

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

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Żywica nanoimprintingowaMicroresistOrmostamp
(1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroktylo)-trichlorosilan, środek antyadhezyjnySigma Aldrich448931-10G
Szkiełka szklaneSchottAF32 eco0,5 mm
Arkusze polietylenowo-faltalanowe (PEN)GoodfellowES3610900,125 mm
(C2H5)2ZnAkzo Nobel
Ag spill target 4NHeraeus81062165
B2H6, SiH4, H2, B(CH3)3, PH3, CH4, CO2Messer
EQUIPMENT
Nanoimprinting system
system LP-CVDDomowy
system PVDLeyboldReaktor Univex 450 B
PE-CVDIndeotecOctopus I
SEMJEOLJSM-7500 TFE
AFMInstrumenty cyfroweNanoscope 3100
Domowy

Bibliografia

  1. Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
  2. Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
  3. Ahn, S. H., Guo, L. J. Large-Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: A Step toward High-Throughput. Application of Continuous Nanoimprinting. ACS Nano. 3 (8), 2304-2310 (2009).
  4. Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
  5. Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells. Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).
  6. Escarré, J., Söderström, K., et al. High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications. Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).
  7. Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).
  8. Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
  9. Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
  10. Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
  11. Escarré, J., Nicolay, S., et al. Nanomoulded front ZnO contacts for thin film silicon solar cell applications. Proceedings of the 27th EU-PVSEC, Frankfurt, , (2012).
  12. Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass. Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).

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

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Transfer wzoruosadzanie tlenku cynkużywica utwardzana promieniami UVchemiczne osadzanie z fazy gazowejwytwarzanie formy matrycowejwarstwa antyadhezyjnatechnika transferu warstwreplikacja materiałów funkcjonalnych
Nanoformowanie materiałów funkcjonalnych, wszechstronna metoda komplementarnej replikacji wzoru do nanoimprintingu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.