Srebrne nanodruty mogą jednocześnie transportować elektrony i informacje optyczne w postaci plazmonów powierzchniowych. Opisano tutaj procedurę realizacji takiego wspólnego obwodu i oceniane są ograniczenia w propagacji obu nośników informacji.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Srebrne nanodruty mogą jednocześnie transportować elektrony i informacje optyczne w postaci plazmonów powierzchniowych. Opisano tutaj procedurę realizacji takiego wspólnego obwodu i oceniane są ograniczenia w propagacji obu nośników informacji.
Plazmonika to rozwijająca się technologia zdolna do jednoczesnego przesyłania sygnału plazmonicznego i elektronicznego na tym samym nośniku informacji1,2,3. W tym kontekście nanodruty metalowe są szczególnie pożądane do realizacji gęstych sieci routingu4. Warunkiem wstępnym do działania takiej współdzielonej platformy opartej na nanoprzewodach jest nasza zdolność do elektrycznego kontaktu z pojedynczymi nanodrutami metalowymi i skutecznego wzbudzania powierzchniowych polarytonów plazmonowych5 w tym podparciu informacyjnym. W tym artykule opisujemy protokół doprowadzania końcówek elektrycznych do chemicznie syntetyzowanych nanodrutów srebra6 losowo rozmieszczonych na szklanym podłożu7. Położenie końcówek nanodrutów w stosunku do predefiniowanych punktów orientacyjnych jest precyzyjnie lokalizowane przy użyciu standardowej optycznej mikroskopii transmisyjnej przed enkapsulacją w rezyście wrażliwym na elektrony. Rowy reprezentujące układ elektrod są następnie projektowane za pomocą litografii wiązką elektronów. Elektrody metalowe są następnie wytwarzane przez termiczne odparowanie warstwy Cr / Au, a następnie chemiczne uniesienie. Nanodruty srebra, z którymi się stykają, są ostatecznie przenoszone do mikroskopu promieniowania przeciekowego w celu wzbudzenia i charakteryzacji plazmonów powierzchniowych8,9. Plazmony powierzchniowe są wystrzeliwane w nanodrutach poprzez skupienie wiązki laserowej w bliskiej podczerwieni na punkcie ograniczonym dyfrakcją nakładającym się na jeden koniec nanodrutu5,9. W przypadku wystarczająco dużych nanodrutów tryb plazmonu powierzchniowego przecieka do szklanego podłoża9,10. To promieniowanie wyciekowe jest łatwo wykrywane, obrazowane i analizowane w różnych płaszczyznach sprzężonych w mikroskopii promieniowania wyciekowego9,11. Zaciski elektryczne nie wpływają na propagację plazmonu. Jednak wywołane prądem pogorszenie morfologiczne nanodrutu drastycznie pogarsza przepływ plazmonów powierzchniowych. Połączenie mikroskopii promieniowania powierzchniowego wycieku plazmonów z jednoczesną analizą charakterystyki transportu elektrycznego nanoprzewodów ujawnia wewnętrzne ograniczenia takich obwodów plazmonicznych.
Plazmonika ma na celu połączenie elektroniki i fotoniki we wspólnym fizycznym wsparciu poprzez zapośredniczenie fali gęstości elektronów zwanej powierzchniowym polarytonemplazmonu 1,2,3. Plazmon powierzchniowy może przemieszczać się w różnych geometriach falowodów i interfejsach. Wśród nich szczególnie pożądane są nanodruty metalowe. Jako struktury quasi-jednowymiarowe drastycznie ograniczają pole plazmonowe do głębokiej skali podfalowej, działając jednocześnie jako połączenia elektryczne zdolne do podtrzymania przepływu elektronów, jak pokazano na rysunku artystycznym na rysunku 1.
Zarówno powierzchniowa propagacja plazmonu, jak i transport elektronów są wrażliwe na strukturalne niejednorodności nanodrutu (np. załamania, defekty krystaliczne, itp.). Ponieważ mogą rosnąć jako monokryształ z niewielką liczbą defektów, chemicznie syntetyzowane nanodruty metalowe6 zazwyczaj zapewniają lepszą wydajność transportu w porównaniu z amorficznymi nanodrutami metalowymi wytwarzanymi metodą odgórną (np. litografia wiązką elektronów)12. Wykonanie plazmonicznej komórki elementarnej sieci wymaga przeniesienia nanodrutów z roztworu koloidalnego na podłoże szklane. Bez żadnego specyficznego złożonego wstępnego wzorcowania, takiego jak funkcjonalizacja powierzchni13 lub technikisamoorganizacji14, nanodruty są na ogół losowo zorientowane na podłożu. Ten niekontrolowany rozkład orientacji drastycznie komplikuje elektryczne połączenie nanoprzewodu z zewnętrznym źródłem zasilania.
W tym artykule, losowo zorientowane, chemicznie syntetyzowane nanoprzewody srebra są z powodzeniem kontaktowane przez zaciski elektryczne źródła i odpływu. W tym celu mikroskopia optyczna jest łączona z litografią wiązką elektronów, aby precyzyjnie zlokalizować nanodrut i utworzyć kontakty elektryczne15,16. Opisano procedurę charakterystyki oceniającą wydajność elektroplazmoniczną obwodów. Po wytworzeniu elektrody, nanodruty, z którymi się stykają, są przenoszone do powierzchniowego mikroskopu promieniowania wycieku plazmonów w celu analizy wpływu przepływu elektronów na propagację plazmonów powierzchniowych. Mikroskop wykorzystuje odwróconą podstawę wyposażoną w obiektyw olejowy o wysokiej aperturze numerycznej i dwie kamery ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) umieszczone odpowiednio na płaszczyźnie sprzężonego obiektu i sprzężonej płaszczyźnie Fouriera. Te dwie sprzężone płaszczyzny dostarczają uzupełniających się informacji na temat właściwości plazmonu powierzchniowego. Szczegóły propagacji są bezpośrednio wnioskowane z analizy płaszczyzny obrazu, podczas gdy rozkład pędu jest wizualizowany przez obrazowanie płaszczyzny Fouriera9.
Plazmony powierzchniowe są wzbudzane w pojedynczym nanoprzewodzie poprzez skupienie wiązki laserowej bliskiej podczerwieni w miejscu ograniczonym dyfrakcją na granicy szkła i powietrza. Gdy kończyna nanodrutowa jest wyrównana w obszarze ogniskowym, rozproszone padające światło laserowe tworzy szeroki rozkład wektorów fal, z których niektóre rezonują ze wzbudzeniem plazmonu powierzchniowego. Rozchodzenie się tej fali powierzchniowej jest wizualizowane albo poprzez zbieranie wycieku modu emitowanego w podłożu, albo poprzez obserwację plazmonu rozproszonego na dystalnym końcu nanodrutu. Długość propagacji i efektywny indeks trybu plazmonu nieszczelnej powierzchni są mierzone poprzez analizę rozkładów intensywności w mikroskopii promieniowania przeciekowego w dwóch płaszczyznach.
Gdy plazmon powierzchniowy rozwinie się w nanoprzewodzie, zaciski drenu i źródła na każdym końcu nanoprzewodu są podłączone do źródła o regulowanym napięciu zasilania. Kamery CCD monitorują w czasie rzeczywistym właściwości plazmonu powierzchniowego w funkcji prądu przepływającego przez nanoprzewód. Dla każdej wartości charakterystyki przenoszenia elektrycznego określa się efektywny wskaźnik i długość propagacji modu plazmonu powierzchniowego. Procedura ta pozwala oszacować ograniczenie obwodu opartego na nanoprzewodach do jednoczesnego podtrzymywania transportu elektronów i plazmonów7.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Synteza koloidalnego roztworu nanodrutów srebra
Nanodruty srebra (Ag NW) o gładkiej powierzchni i jednorodnej strukturze są syntetyzowane przy użyciu zmodyfikowanej metodywspomaganej poliolami 6. W typowej syntezie Ag NW krok po kroku przeprowadza się następujące procedury:
2. Przygotowanie makroskopowych punktów orientacyjnych na szklanym podłożu za pomocą litografii wiązką elektronów
3. Osadzanie nanodrutów na podłożu
4. Lokalizowanie nanoprzewodów za pomocą mikroskopu optycznego
5. Wytwarzanie elektrod za pomocą litografii wiązką elektronów, termicznego odparowywania i chemicznego liftingu
6. Transfer do powierzchniowego mikroskopu promieniowania wycieku plazmonów
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 2(a) przedstawia mikrografię z transmisyjnego elektronowego mikroskopu skanującego typowego nanodrutu Ag o długości 10 mm, zsyntezowanego zgodnie z opisanym powyżej protokołem. Szerokość nanodrutu wynosi tutaj 200 nm, co pokazano w powiększeniu lewego końca na Rysunku 2(b). Na rysunku wyraźnie widoczna jest pięciokrotna symetria wzrostu kryształu. Na powierzchni nanodrutu nie ma widocznych defektów (np. załamań, cząsteczek itd.). Synteza prowadzi do szerokiego r...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Synteza wykorzystuje nadmiar chemicznego środka powierzchniowo czynnego pozostającego związany z powierzchnią nanodrutu, jak pokazano na transmisyjnym mikrorysunku elektronowym na rysunku 9(a). Warstwa ta tworzy barierę dielektryczną zapobiegającą przepływowi prądu przez granicę faz elektroda-nanoprzewód. Rysunki 10 lit. a) i b) przedstawiają typowe przykłady charakterystyk prądowo-napięciowych. Ostre kroki prądu przy pewnych odchyleniach przerywają krzywe. Etapy te zach...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Badania, które doprowadziły do uzyskania tych wyników, otrzymały dofinansowanie Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych w ramach Siódmego Programu Ramowego Wspólnoty Europejskiej FP7/2007–2013 Umowa o grant nr 306772 oraz Grant ERC-2007-StG nr 203872-COMOSYEL. Prace te są również częściowo finansowane przez Agence Nationale de la Recherche (ANR) w ramach Grant Plastips (ANR-09-BLAN-0049). A. S. dziękuje za stypendium podoktorskie z Région de Bourgogne w ramach programu PARI. M.S. przyjmuje do wiadomości stypendium od Chińskiej Rady Stypendialnej. D.Z. dziękuje za wsparcie ze strony Narodowej Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin w zakresie grantów 11004182 i 61036005.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| DMEM | Invitrogen | ABCD1234 | |
| Glikol etylenowy (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 | |
| Poli-(winylopirolidon) (PVP) | Aladdin Chemistry Co., Ltd | 1041671-31744 | |
| Dimethysilicone | Sinopharm Group Company Limited | H201-500 | |
| Octan eteru metylowego glikolu propylenowego | Microchemicals Gmbh | AZ EBR | |
| Odwrócony mikroskop optyczny | Nikon | TE 2000 | |
| Obiektyw mikroskopowy | Nikon | 1.49/100X TIRF Plan-Apo | |
| Kamery CCD (2x) | Andor | Luca-S | |
| Regulowany zasilacz | RHK | SPM 1000 | |
| Dane akwizycyjne | RHK | SPM 1000 | |
| Konwerter prądu na napięcie | domowej roboty | Wzmocnienie 10 mA/V | |
| Wiązka elektronów mikroskop | JEOL | FEG 6500 | |
| Dodatek do litografii | RAITH | Elphy | |
| Spincoater | PRIMUS | STT15 | |
| Parownik termiczny | PLASSYS | MEB 400 | |
| Stopień sondy mikrometrycznej (2x) | SÜ SS MicroTec | PH110 | |
| Stolik piezoelektryczny | Mad City Labs | Nano LP100 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.