Method Article

Nanowytwarzanie nanocząstek złota na dużej powierzchni w oparciu o podłoże poprzez odwilżanie

DOI:

10.3791/58827

⸱

February 26th, 2019

 , 
1Mechanical and Aerospace Engineering, Utah State University

In This Article

Summary

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

Ten protokół szczegółowo opisuje nowatorską technikę nano-produkcji, która może być wykorzystana do tworzenia kontrolowanych i konfigurowalnych folii nanocząsteczkowych na dużych obszarach, w oparciu o samoorganizację odwilżania zasklepionych folii metalowych.

Abstract

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

Ostatnie osiągnięcia naukowe w zakresie wykorzystania nanocząsteczek metalicznych do zwiększenia efektywności konwersji energii, poprawy wydajności urządzeń optycznych i przechowywania danych o dużej gęstości wykazały potencjalne korzyści z ich wykorzystania w zastosowaniach przemysłowych. Zastosowania te wymagają precyzyjnej kontroli nad rozmiarem nanocząstek, odstępami, a czasem kształtem. Wymagania te spowodowały wykorzystanie czasochłonnych i kosztownych etapów przetwarzania do produkcji nanocząstek, co sprawiło, że przejście do zastosowań przemysłowych stało się nierealne. Protokół ten rozwiąże ten problem, zapewniając skalowalną i przystępną cenowo metodę produkcji folii nanocząsteczkowych na dużych powierzchniach z lepszą kontrolą nanocząstek w porównaniu z obecnymi technikami. W tym artykule proces zostanie zademonstrowany na złocie, ale można również użyć innych metali.

Introduction

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

Produkcja wielkopowierzchniowych folii nanocząsteczkowych jest niezwykle ważna dla przyjęcia najnowszych osiągnięć technologicznych w zakresie konwersji energii słonecznej i przechowywania danych o dużej gęstości z wykorzystaniem nanocząstek plazmonicznych1,2,3,4,5. Co ciekawe, to właśnie właściwości magnetyczne niektórych z tych plazmonicznych nanocząstek zapewniają tym nanocząstkom zdolność do manipulowania i kontrolowania światła w nanoskali. Ta sterowalność światła daje możliwość zwiększenia uwięzienia światła padającego w nanoskali i zwiększenia chłonności powierzchni. Opierając się na tych samych właściwościach i mając zdolność do utrzymywania nanocząstek w stanie namagnesowanym i nienamagnesowanym, naukowcy definiują również nową platformę do przechowywania danych cyfrowych o dużej gęstości. W każdym z tych zastosowań kluczowe znaczenie ma opracowanie techniki nanowytwarzania o dużej powierzchni i przystępnej cenie, która pozwoli na kontrolę rozmiaru, odstępów i kształtu nanocząstek.

Dostępne techniki produkcji nanocząsteczek są głównie oparte na litografii w nanoskali, która ma znaczne problemy ze skalowalnością i kosztami. Przeprowadzono wiele różnych badań, które próbowały rozwiązać problem skalowalności tych technik, ale do tej pory nie istnieje żaden proces, który zapewniałby poziom kontroli wymagany do wytwarzania nanocząstek i byłby wystarczająco efektywny kosztowo i czasowo, aby można go było zastosować w zastosowaniach przemysłowych6,7,8,9,10,11. Niektóre ostatnie wysiłki badawcze poprawiły sterowalność odwilżania indukowanego laserem impulsowym (PLiD) i szablonowego odwilżania w stanie stałym12,13,14, ale nadal mają znaczne wymagane etapy litografii, a tym samym problem ze skalowalnością.

W tym manuskrypcie prezentujemy protokół metody nanofabrykacji, który rozwiąże problem skalowalności i kosztów, który nękał przyjęcie i wykorzystanie folii nanocząsteczkowych w szeroko rozpowszechnionych zastosowaniach przemysłowych. Ta metoda przetwarzania pozwala na kontrolę nad wielkością i odstępami między wytwarzanymi nanocząstkami poprzez manipulowanie energiami powierzchniowymi, które dyktują samoorganizację powstałych nanocząstek. Tutaj demonstrujemy zastosowanie tej techniki przy użyciu cienkiej warstwy złota do produkcji nanocząstek złota, ale niedawno opublikowaliśmy nieco inną wersję tej metody z wykorzystaniem folii niklowej, a zatem technikę tę można zastosować z dowolnym pożądanym metalem. Celem tej metody jest wytworzenie warstw nanocząstek przy jednoczesnej minimalizacji kosztów i złożoności procesu, dlatego zmodyfikowaliśmy nasze poprzednie podejście, które wykorzystywało osadzanie warstw atomowych i nanosekundowe napromieniowanie laserowe w systemie Ni-tlenek glinu i zastępowaliśmy je fizycznym osadzaniem z fazy gazowej i płytą grzejną. Wynik naszych prac nad systemem Ni-tlenek glinu wykazał również akceptowalny poziom kontroli morfologii powierzchni po dewetting15.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

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

UWAGA: Wytwarzanie na dużej powierzchni kontrolowanych i konfigurowalnych folii nanocząstek złota odbywa się zgodnie ze szczegółowym protokołem. Protokół obejmuje trzy główne obszary, którymi są: (1) przygotowanie podłoża, (2) odwilżanie i trawienie oraz (3) charakterystyka.

1. Przygotowanie podłoża

  1. Oczyścić podłoże (100 nm SiO2 na Si) za pomocą płukania acetonem, a następnie płukania alkoholem izopropylowym, a następnie wysuszyć przy użyciu strumienia gazuN2.
  2. Załaduj podłoże do układu parownika termicznego i opróżnij, aby osiągnąć żądane ciśnienie do osadzania folii metalowej. Upewnij się, że komora jest opróżniona do ciśnienia rzędu 10-6 Torr w celu usunięcia powietrza i pary wodnej z komory.
  3. Za pomocą parownika termicznego nałóż złotą folię na żądaną grubość (w tym przypadku 5 nm). Surowiec źródłowy złota uzyskano w postaci drutu ze złota o średnicy 0,5 mm (o czystości 99,99%). Należy pamiętać, że kontrola grubości dla wszystkich etapów osadzania odbywa się poprzez kalibrację maszyny, biorąc pod uwagę wszystkie ważne parametry i po pomiarze grubości. Na obu etapach osadzania ciśnienie argonu wynosi kilka militorrów (1-5 mTorr), a zakres jest podawany, ponieważ różne ciśnienia są wybierane do kalibracji szybkości osadzania.
  4. Odpowietrzyć i usunąć podłoże z osadzoną metalową folią z układu parownika termicznego. W tym miejscu protokół można wstrzymać.
  5. Załadować podłoże osadzoną folią metalową do systemu osadzania magnetronu prądu stałego (DC) i ewakuować, aby osiągnąć żądane ciśnienie do osadzania folii zakrywającej (tabela materiałów).
    1. Aby zlokalizować próbkę w maszynie, umieść próbkę w zamku załadunku, a urządzenie przenosi próbkę do głównej komory osadzania, aby zapewnić wystarczający poziom próżni. Należy zauważyć, że osadzanie warstwy wierzchniej z tlenku glinu umieszcza się w następnym kroku, a tym krokiem jest wyjaśnienie procesu umieszczania próbki w aparacie i sposobu przenoszenia próbki do głównej komory osadzania.
  6. Umieść warstwę wierzchnią z pożądanego materiału i grubości. Należy zauważyć, że osadzanie tlenku glinu przebiega zgodnie z podobną procedurą i warunkami osadzania warstwy złota, w tym przypadku tlenku glinu o zmiennej grubości. Materiał źródłowy tlenku glinu uzyskano w postaci tarczy napylającej tlenek glinu o średnicy 50,8 mm i grubości 6,35 mm (o czystości 99,5%).
  7. Odpowietrzyć komorę osadzania napylania magnetronowego prądu stałego i usunąć przygotowaną próbkę. (Tabela materiałów). W tym miejscu protokół można wstrzymać.

2. Odwilżanie i trawienie

  1. Umieść przygotowaną próbkę na wstępnie podgrzanej płycie grzejnej. W przypadku złotej warstwy 5 nm pokrytej tlenkiem glinu podgrzać próbkę w temperaturze 300 °C i pozostawić próbkę do odwilżenia przez 1 godzinę. W tym miejscu protokół można wstrzymać.
  2. Wytrawić tlenek glinu, pozostawiając złoto i podłoże SiO2/Si roztworem 3:1:1=H2O:NH4OH:H2O2 (w % wag.) w temperaturze 80 °C przez 1 godzinę. Należy pamiętać, że proces ten odbywa się w okapie i należy podjąć wszelkie środki ostrożności dotyczące postępowania z materiałami niebezpiecznymi dla środowiska i korozyjnymi. W tym miejscu protokół można wstrzymać.

3. Charakterystyka

  1. Przygotować próbkę do podciśnienia, przepłukując ją acetonem i alkoholem izopropylowym, a następnie susząc roztworemN2.
  2. Zobrazuj warstwy nanocząstek za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w wysokiej próżni i przy dużym powiększeniu (w tym przypadku powiększenie 50 000x w celu rozdzielczości nanocząstek o minimalnych rozmiarach). W tym miejscu protokół można wstrzymać.
  3. Wykonaj analizę obrazu, aby uzyskać informacje o wielkości nanocząstek i rozkładzie odstępów. Analiza obrazu odbywa się przy użyciu kodu opartego na MATLAB, który proguje obraz w skali szarości, przeprowadza procedury redukcji szumów i wypełniania cząstek15.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

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

Opisany tutaj protokół został wykorzystany dla wielu metali i wykazał zdolność do wytwarzania nanocząsteczek na podłożu na dużym obszarze, z kontrolowanym rozmiarem i odstępami. Rysunek 1 pokazuje protokół z reprezentatywnymi wynikami pokazującymi możliwość kontrolowania wielkości i odstępów między wyprodukowanymi nanocząstkami. Postępując zgodnie z tym protokołem, wynik, którym jest wytworzony film nanocząsteczkowy z rozkładem wielkości i odstępów, będzie za...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

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

Protokół jest wykonalnym i łatwym procesem dla procesu nanoprodukcji do wytwarzania nanocząstek na podłożu na dużych obszarach o kontrolowanej charakterystyce. Zjawisko odwadniania, które prowadzi do wytwarzania cząstek, opiera się na tendencji odwetnionej warstwy do osiągania minimalnej energii powierzchniowej. Kontrola nad rozmiarem i kształtem cząstek jest ukierunkowana na osadzanie drugiej powierzchni na warstwie głównej w celu dostrojenia energii powierzchniowej, a ostateczna równowaga między przyczepnością a energi...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

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

Dziękujemy za wsparcie ze strony Microscopy Core Facility na Uniwersytecie Stanowym Utah dla wyniku SEM. Wyrażamy również uznanie dla Narodowej Fundacji Nauki (Nagroda #162344) za System Rozpylania Magnetronowego Prądu Stałego, Narodowej Fundacji Nauki (Nagroda #133792) za (Field Electron and Ion) FEI Quanta 650 oraz Department of Energy, Nuclear Energy University Program za FEI Nova Nanolab 600.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
100 nm SiO2/Si SubstrateUniversity WaferThermal Oxide Wafel
Cel napylania tlenku glinu Kurt J. Lesker (99,99%)Kurt J. Leskertlenku glinu
J. LeskerH
2O2Płyta
Thermo ScientificCimarec
NH4OHSigma-Aldrich
FEIQuanta 650
Skaningowy mikroskop elektronowyFEINova Nanolab 600
System osadzania napylaniaAJA InternationalOrion-5
Wyparka termicznaEdwards360 pkt
Złoty drut z Kurt grzejna Sigma-Aldrich Skaningowy mikroskop elektronowy .

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T., Green, M. A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells. Journal of Applied Physics. 101 (9), 093105(2007).
  2. Ding, B., Lee, B. J., Yang, M., Jung, H. S., Lee, J. -K. Surface-Plasmon Assisted Energy Conversion in Dye-Sensitized Solar Cells. Advanced Energy Materials. 1 (3), 415-421 (2011).
  3. Tehrani, S., Chen, E., Durlam, M., DeHerrera, M., Slaughter, J. M., Shi, J., Kerszykowski, G. High density submicron magnetoresistive random access memory (invited). Journal of Applied Physics. 85 (8), 5822-5827 (1999).
  4. Ross, C. A., et al. Fabrication of patterned media for high density magnetic storage. Journal of Vacuum Science & Technology B. 17, 3168(1999).
  5. Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. Nanomaterials for optical data storage. Nature Reviews Materials. 1, 16070(2016).
  6. Mock, J. J., Barbic, M., Smith, D. R., Schultz, D. A., Schultz, S. Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles. The Journal of Chemical Physics. 116 (15), 6755-6759 (2002).
  7. Su, K. -H. A., et al. Interparticle Coupling Effects on Plasmon. Resonances of Nanogold Particles, Nano Letters. 3 (8), 1087-1090 (2003).
  8. Lee, K., El-Sayed, M. A. Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition. The Journal of Physical Chemistry B. 110 (39), 19220-19225 (2006).
  9. Grzelczak, M., Prez-Juste, J., Mulvaney, P., Liz-Marzn, L. M. Shape control in gold nanoparticle synthesis. Chemical Society Reviews. 37 (9), 1783-1791 (2008).
  10. Ye, J., Thompson, C. Templated Solid-State Dewetting to Controllably Produce Complex Patterns. Advanced Materials. 23 (13), 1567-1571 (2011).
  11. Huang, J., Kim, F., Tao, A., Connor, S., Yang, P. Spontaneous formation of nanoparticle stripe patterns through dewetting. Nature Materials. 4, 896-900 (2005).
  12. Hughes, R. A., Menumerov, E., Neretina, S. When lithography meets self-assembly: a review of recent advances in the directed assembly of complex metal nanostructures on planar and textured surfaces. Nanotechnology. 28 (28), 282002(2017).
  13. Kim, D., Giermann, A. L., Thompson, C. V. Solid-state dewetting of patterned thin films. Applied Physics Letters. 95 (25), 251903(2009).
  14. Fowlkes, J. D., Doktycz, M. J., Rack, P. D. An optimized nanoparticle separator enabled by electron beam induced deposition. Nanotechnology. 21 (16), 165303(2010).
  15. White, B. C. A., et al. The Effect of Different Thickness Alumina Capping Layers on the Final Morphology of Dewet Thin Ni Films. Applied Physics A. 124 (3), 233(2018).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Gold NanoparticlesNanoparticle FabricationSubstrate Based NanofabricationControlled DewettingCapped DewettingThermal EvaporationSputter DepositionScanning Electron MicroscopyNanoparticle Size ControlNanoparticle Spacing Control

Related Articles