Name: Metoda wytwarzania rozłączonych nanostruktur srebra w 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2012-11-27T12:00:00.000+00:00
Duration: 5 min 45 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania trójwymiarowych nanostruktur srebra w macierzy polimerowej za pomocą lasera femtosekundowego. Technika ta umożliwia jednokrokową fabrykację złożonych metalowych struktur 3D.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

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.

1. Przygotowanie polimerowej folii domieszkowanej jonami metali
<ol>
 <li>Odmierz 8 ml wody do zlewki.</li>
 <li>Dodaj 206 mg PVP do wody. Mieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego lub wstrząsarki typu vortex do czasu, aż roztwór stanie się klarowny.</li>
 <li>Dodaj 210 mg AgNO3 do roztworu. Mieszaj za pomocą mieszadła magnetycznego lub wstrząsarki typu vortex do czasu, aż roztwór stanie się klarowny.</li>
 <li>Pokryj szkiełko przedmiotowe roztworem metodą drop castingu.</li>
 <li>Umieść szkiełko przedmiotowe w piekarniku ustawionym na 100 °C. Wygrzewaj próbkę przez 30 min.</li>
 <li>Wyjmij próbkę z piekarnika i pozostaw do ostygnięcia na 30 min.</li>
</ol>
2. Wytwarzanie rozłącznych struktur srebrowych
<ol>
 <li>Ustawić układ przedstawiony na Rysunku 1 na stole optycznym z izolatorami wibracji.</li>
 <li>Dostroić kompresor, aby uzyskać impulsy o czasie trwania 50 fsec za obiektywem mikroskopu.</li>
 <li>Dostroić filtry neutralne, aby uzyskać impulsy o energii 3 nJ za obiektywem.</li>
 <li>Upewnić się, że rozmiar plamki laserowej jest większy niż tylna apertura obiektywu mikroskopu.</li>
 <li>Ustawić modulator akustyczno-optyczny tak, aby generował 10-μsec okna ekspozycji, podczas których próbka jest naświetlana.</li>
 <li>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.</li>
 <li>Włączyć źródło oświetlenia mikroskopu, aby obserwować próbkę in-situ za pomocą kamery CCD.</li>
 <li>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.</li>
 <li>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.</li>
</ol>

<ol><li>von Freymann, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Three-Dimensional+Nanostructures+for+Photonics%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Functional+Materials%22%5BJournal%5D)">Three-Dimensional Nanostructures for Photonics.</a> Advanced Functional Materials. 20, 1038-1052 (2010).</li>
<li>LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Multiphoton+Fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Multiphoton Fabrication.</a> Angewandte Chemie International Edition. 46, 6238-6258 (2007).</li>
<li>Gattass, R. R., Mazur, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Femtosecond+laser+micromachining+in+transparent+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photon%22%5BJournal%5D)">Femtosecond laser micromachining in transparent materials.</a> Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).</li>
<li>Li, L., Gattass, R. R., Gershgoren, E., Hwang, H., Fourkas, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Achieving+%CE%BB%2F20+Resolution+by+One-Color+Initiation+and+Deactivation+of+Polymerization%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Achieving λ/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization.</a> Science. 324, 910-913 (2009).</li>
<li>Haske, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((65+nm+feature+sizes+using+visible+wavelength+3-D+multiphoton+lithography%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography.</a> Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).</li>
<li>Xing, J. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improving+spatial+resolution+of+two-photon+microfabrication+by+using+photoinitiator+with+high+initiating+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Improving spatial resolution of two-photon microfabrication by using photoinitiator with high initiating efficiency.</a> Appl. Phys. Lett. 90, 131106(2007).</li>
<li>Tan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduction+in+feature+size+of+two-photon+polymerization+using+SCR500%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500.</a> Appl. Phys. Lett. 90, 071106(2007).</li>
<li>Vora, K., Kang, S., Shukla, S., Mazur, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+disconnected+three-dimensional+silver+nanostructures+in+a+polymer+matrix%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Fabrication of disconnected three-dimensional silver nanostructures in a polymer matrix.</a> Appl. Phys. Lett. 100, 063120(2012).</li>
<li>Güney, D. Ö, Koschny, T., Soukoulis, C. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intra-connected+three-dimensionally+isotropic+bulk+negative+index+photonic+metamaterial%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial.</a> Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).</li>
<li>Grigorenko, A. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanofabricated+media+with+negative+permeability+at+visible+frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photon%22%5BJournal%5D)">Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies.</a> Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).</li>
<li>Grigorenko, A. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Negative+refractive+index+in+artificial+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Negative refractive index in artificial metamaterials.</a> Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).</li>
<li>Shalaev, V. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Negative+index+of+refraction+in+optical+metamaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Lett%22%5BJournal%5D)">Negative index of refraction in optical metamaterials.</a> Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).</li>
<li>Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+excitation+of+magnetic+resonance+in+metamaterials+at+far-infrared+frequencies%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies.</a> Appl. Phys. Lett. 91, 113118(2007).</li>
<li>Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-photon-induced+reduction+of+metal+ions+for+fabricating+three-dimensional+electrically+conductive+metallic+microstructure%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Two-photon-induced reduction of metal ions for fabricating three-dimensional electrically conductive metallic microstructure.</a> Appl. Phys. Lett. 88, 081107(2006).</li>
<li>Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improvement+in+the+reduction+of+silver+ions+in+aqueous+solution+using+two-photon+sensitive+dye%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">Improvement in the reduction of silver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye.</a> Appl. Phys. Lett. 89, 113102(2006).</li>
<li>Cao, Y. -Y., Takeyasu, N., Tanaka, T., Duan, X. -M., Kawata, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((3D+Metallic+Nanostructure+Fabrication+by+Surfactant-Assisted+Multiphoton-Induced+Reduction%5BTitle%5D)+AND+%22Small%22%5BJournal%5D)">3D Metallic Nanostructure Fabrication by Surfactant-Assisted Multiphoton-Induced Reduction.</a> Small. 5, 1144-1148 (2009).</li>
</ol>

Nie zadeklarowano żadnych konfliktów interesów.

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...

metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3d

A Method to Fabricate Disconnected Silver Nanostructures in 3D

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.

Modulator akustyczno-optyczny oraz filtry neutralnej gęstości (Rysunek 1) pozwalają kontrolować ilość energii dostarczanej do próbki. Przy ekspozycji wynoszącej 110 impulsów na voxel i 3 nJ na impuls, przy przesuwaniu stolika z prędkością 100 μm/sec, powstałe struktury srebrne są wyraźnie widoczne pod mikroskopem optycznym in-situ. Niższe poziomy ekspozycji laserowej (poprzez zmniejszenie energii impulsu i/lub liczby impulsów) prowadzą do powstania mniejszych elementów srebrnych; zaobserwowaliśm...

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.

Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

Standardowy zestaw narzędzi do nanofabrykacji obejmuje techniki ukierunkowane przede wszystkim na tworzenie wzorów 2D w mediach dielektrycznych. Tworzenie metalowych wzorów na...

Niniejszy protokół szczegółowo opisuje proces wytwarzania trójwymiarowych struktur srebra wewnątrz matrycy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego. Procedurę rozpoczyna się od zmieszania PVP i azotanu srebra w wodzie w celu uzyskania jonów srebra wewnątrz matrycy polimerowej. Następnie szkiełko przedmiotowe pokrywa się roztworem i wypieka, aby utworzyć grubą warstwę polimeru domieszkowaną jonami srebra, a następnie naświetla warstwę polimerową impulsami lasera femtosekundowego w celu wzrostu struktur srebra wewnątrz polimeru. Wyniki analityczne z mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej wykazują wzrost struktur srebra w objętościach próbki naświetlonych laserem. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami, takimi jak fotolitografia UV, jest to, że bezpośredni zapis laserem femtosekundowym pozwala na tworzenie struktur wewnętrznych w jednym kroku i może to być realizowane w 3D.Kluczem do tego procesu jest zastosowanie kombinacji odczynników chemicznych w próbce, co ogranicza wzrost srebra do objętości naświetlanej laserem. Zastosowaniem tej metody jest trójwymiarowe wytwarzanie izotropowych metalicznych i dielektrycznych metamateriałów dla f

a-method-to-fabricate-disconnected-silver-nanostructures-in-3d

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Metoda wytwarzania odłączonych nanostruktur srebra w 3D

Opisano płaski oraz trójwymiarowy druk z użyciem przewodzących tuszy metalicznych. Nasze podejście otwiera nowe możliwości wytwarzania drukowanych urządzeń elektronicznych, optoelektronicznych i biomedycznych o nietypowych układach w skali mikro.

Planarny i trójwymiarowy druk atramentów przewodzących

Przedstawiamy metody wytwarzania wzorowanych mikrostruktur z pionowo wyrównanych nanorurek węglowych (CNTs) oraz ich zastosowanie jako form macierzystych do produkcji polimerowych mikrostruktur z uporządkowaną nanostrukturą powierzchni. Las nanorurek CNT jest zagęszczany poprzez kondensację rozpuszczalnika na podłożu, co znacznie zwiększa ich gęstość upakowania i umożliwia samokierowane tworzenie kształtów 3D.

Wytwarzanie, zagęszczanie i odlewanie replik trójwymiarowych mikrostruktur z nanorurek węglowych

Opisano wytwarzanie elektrycznie adresowalnych, o wysokim współczynniku proporcji (&gt; 1000:1) metalowych nanodrutów oddzielonych przerwami pojedynczych nanometrów przy użyciu albo warstw protektorowych aluminium i srebra, albo samoorganizujących się monowarstw jako szablonów. Te struktury nanoszczelinowe są wytwarzane bez pomieszczenia czystego lub jakichkolwiek procesów litograficznych wykorzystujących wiązkę foto- lub elektronów za pomocą litografii krawędziowej znanej jako nanoskiving.

Wytwarzanie nanoluk za pomocą Nanoskiving

Przedstawiamy prostą metodę wytwarzania ultrawysokiej gęstości pionowo uporządkowanych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych. Metoda ta pozwala na syntezę złożonych, heterostrukturalnych hybrydowych geometrii nanodrutów, które można niedrogo hodować na dowolnych podłożach. Struktury te mają potencjalne zastosowania w elektronice organicznej, optoelektronice, detekcji chemicznej, fotowoltaice i spintronice.

Układ ultrawysokiej gęstości pionowo ustawionych małocząsteczkowych nanodrutów organicznych na dowolnych podłożach

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania swobodnie zawieszonych, mikronowych/submikronowych włókien polimerowych i "pajęczynowych" struktur generowanych przez automatyczną procedurę bezpośredniego zapisu za pomocą 3-osiowego systemu dozowania.

Zalecany bezpośredni zapis 3D zawieszonych struktur włókien w skali mikronowej/submikronowej za pomocą zrobotyzowanego systemu dozowania

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Pośrednia metoda wytwarzania przyrostowego, łącząca drukowanie 3D polimerów z odlewaniem odśrodkowym, jest opisana do produkcji metali kratownicowych 3D (stopy Al i Cu) o długości komórki elementarnej 5 mm i grubości ścianki 0,5 mm.

Pośrednie wytwarzanie metali kratowych o cienkich przekrojach przy użyciu odlewania odśrodkowego

Prosta metoda syntezy jest używana do chemicznego cienkiej warstwy nanodrutów srebra w celu wytworzenia wysoce rozciągliwych i przewodzących przewodników metalowych.

Metoda wytwarzania wysoce rozciągliwych przewodników z nanodrutami srebra

Pokazujemy wytwarzanie okresowych matryc nanokubków złotych za pomocą technik litograficznych koloidalnych i omawiamy znaczenie warstw nanoplazmonowych.

Wytwarzanie okresowych matryc złotych nanokubków przy użyciu litografii koloidalnej

Artykuł ma na celu wprowadzenie standardowej i niezawodnej procedury produkcji dla rozwoju przyszłej niskowymiarowej nanoelektroniki.

Standardowa i niezawodna metoda wytwarzania dwuwymiarowej nanoelektroniki

Poznaj metodę wytwarzania trójwymiarowych nanostruktur srebra w macierzy polimerowej za pomocą lasera femtosekundowego. Technika ta umożliwia jednokrokową fabrykację złożonych metalowych struktur 3D.

Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

Przeglądaj więcej filmów