Name: Nanomoulding de Materiais Funcionais, um método de replicação Versátil Complementar Padrão para nanoimpressão (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-01-23T12:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 49 s
Description: Aprenda nanomoldagem de materiais funcionais para nanotecnologia usando óxido de zinco. Este método versátil permite transferir padrões nanométricos de baixo custo para diversos materiais funcionais.

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Os autores agradecem M. Leboeuf para a assistência com o, AFM W. Lee para o mestre de alumínio texturizado e anodicamente o Escritório Federal Suíço de Energia eo Swiss National Science Foundation para financiamento. Uma parte deste trabalho foi realizado no âmbito do projecto FP7 &quot;Fast Track&quot;, financiado pela CE ao abrigo da convenção de subvenção não 283,501.

1. Fabricação de Moldes Usamos a nossa configuração nanoimpressão casa construída para a fabricação do molde negativo Ref seguinte. 6, mas qualquer configuração de nanoimpressão alternativa irá funcionar bem. Alternativamente um molde funcionalizada polidimetilsiloxano (PDMS) também pode funcionar. <ol><li> Fabricar ou comprar um mestre adequado transportando o padrão de nanoescala a ser transferido. Em princípio, qualquer mestre adequado para nanoimpressão irá fazer o trabalho. Nós usamos uma camada de ZnO texturado sobre uma folha de vidro (Schott, AF32 eco, 41 milímetros x 41 mm x 0,5 mm), depositado como indicado em 3.1 como uma estrutura mestre para ilustrar o método. </li><li> Aplicar uma camada de anti-adesão sobre a estrutura mestre, tal como descrito em 2. </li><li> Limpar um polietileno naftalato folha (PEN) (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) num banho de acetona de ultra-sons durante 2 minutos, seguido por um banho de ultra-sons de isopropanol durante 2 min mais. Lavar mais uma vez com isopropanol e seque com nitrogênio. </li><li> Depósito de uma camada de adesão sputtered Cr (nm 5-10) na folha de PEN. </li><li> Spin-revestimento da resina curável por UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) na folha PEN a 5000 rpm para obter uma cobertura uniforme. </li><li> Realizar um pré-cozimento durante 5 minutos numa placa de aquecimento a 80 ° C para evaporar o solvente, melhorar a uniformidade da película e aderência à folha de PEN. </li><li> Use sua configuração nanoimpressão para carimbar o modelo mestre em resina de cura UV. Embora não seja obrigatório, realizamos estampagem sob vácuo, para evitar inclusões de bolha por aplicação de uma pressão de 1 bar homogéneo para uma membrana de silicone flexível. Na nossa configuração, a membrana de silicone separa a câmara de vácuo em dois sub-compartimentos. A pressão é gerada por ventilação do compartimento superior, enquanto que o compartimento inferior permanece sob vácuo. Ventilação empurra a membrana flexível na direcção do fundo de iniciar a estampagem. </li><li> Expor a resina a luz UV de provocar a reacção de reticulação da resina. Nós aplicamos uma luz moderadaintensidade de 1,4 mW / cm 2 no comprimento de onda de 365 nm, fornecidos por vários LEDs. Tempo de exposição através da folha de PEN é tipicamente de 15-20 minutos. </li><li> Cuidadosamente desmoldagem manualmente descascar o molde fora da estrutura principal. </li><li> À medida que a resina pode ser submetido a retracção ligeira durante a deposição do material funcional, o que pode levar à descamação espontânea, realizamos uma ligeira coza pós térmico a 150 ° C durante 6-8 horas em um forno com atmosfera ambiente antes do processamento adicional. </li></ol> 2. Anti-adesão Camada Para a desmoldagem bem sucedido, a camada de anti-adesão deve ser adaptado para os materiais e a rugosidade padrão. Padrões geralmente ásperas requerem baixos coeficientes de atrito. Baixos coeficientes de furar em padrões lisos podem levar a descamação do material funcional a partir do molde. Elevados coeficientes de furar em padrões irregulares podem resultar na descamação da resina a partir da folha PEN durante a fabricação do molde como a aderênciasce da resina para o mestre é mais forte. <ol><li> Revestir o molde (ou principal) com uma camada de crómio sputtered (nm 5-10) para promover a adesão do agente de anti-aderência. Para padrões lisos nós cair este passo. Em alguns casos, a camada de crómio pode impedir que o agente de anti-adesão de estrutura etch mestre. </li><li> Aplicar uma pequena gota de agente anti-adesão (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) numa lâmina de vidro. Colocar a placa de vidro, juntamente com o molde numa câmara de vácuo e uma bomba para baixo. O agente de anti-adesão e evapora-se depositar como uma monocamada molecular sobre o molde. </li><li> Ancorar o agente de anti-adesão por meio de recozimento durante 1-2 horas a 80 ° C. </li></ol> 3. A deposição de material Nós demonstramos aqui três técnicas de deposição adequadas para deposição de material para ilustrar a versatilidade do nanomoulding. Outras técnicas de deposição pode também ser aplicada. O terceiro exemplo descreve a fabrication de um completo célula de silício de filme fino solar. <ol><li> A deposição química de vapor (CVD) de óxido de zinco: Coloque o molde para a placa de aquecimento do reactor CVD aquecido a 180 ° C. Utilizar uma estrutura de metal para evitar a curvatura do molde durante a deposição de ZnO PEN. Fechar o reator, bomba para baixo e permitir termalização. Admitir os gases precursores (H 2 O, e (C 2 H 5) 2 Zn). Além disso dose que pequenas quantidades de B 2 H 6 por doping. A espessura da camada de ZnO é proporcional ao tempo de deposição. Usamos ZnO espessuras de camada de geralmente 1-5 ^ m. Detalhes sobre parâmetros típicos deposições podem ser encontradas na referência 7. </li><li> Physical Vapor Deposition (PVD) / sputtering de prata: Coloque o molde para o sistema PVD. Feche o sistema e bombear para baixo. Admita gás argônio processo. Ligue o gerador de corrente contínua. A espessura da camada Ag é novamente proporcional ao tempo de deposição. Usamos Ag espessuras de camada, tipicamente de 1 um. P deposição típicaARÂMETROS são uma pressão de árgon de 5.5x10 -3 mbar e uma instalação de alimentação de CC específica de 250 W que produzam uma velocidade de deposição de cerca de 45 nm / seg. </li><li> Plasma melhorada deposição de vapor químico (CVD-PE): Depósito ZnO como em 3.1). Coloque o molde para o reactor de PE-CVD aquecido a 200 ° C. Fechar o reator, bomba para baixo e permitir termalização. Admitir os gases precursores (SiH 4 e H 2). Em adição, pequenas quantidades de dose de B (CH 3) 3 e PH 3 para conseguir a dopagem p e tipo-n, respectivamente. Para aumentar a tensão de circuito aberto de células solares, também usar pequenas quantidades de CH 4 e CO 2 para as camadas dopadas. Após a deposição da pilha de silício amorfo pino da célula solar, que deposita uma backcontact ZnO como descrito em 3.1. </li><li> Evitar a flexão excessiva do molde, tal como flexão poderia causar descamação da camada depositada. </li></ol> 4. Transferência de camada Usamos glaslâminas s (Schott AF32 eco, 41 milímetros x 41 mm x 0,5 mm) como substrato final. Mas outros substratos, incluindo folhas de metal ou folhas de polímeros, pode ser utilizado como alternativa. <ol><li> Lâminas de vidro limpas com acetona e isopropanol e golpe seco com nitrogênio. </li><li> Spin-revestimento de resina curável por UV (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) na lâmina de vidro a 5000 rpm. </li><li> Use sua configuração nanoimpressão para ancorar o molde transporte as camadas depositadas sobre o substrato final. Como para carimbar, realizamos ancoragem sob vácuo, aplicando uma pressão homogênea de um bar. </li><li> Expor a resina a luz UV de provocar a reacção de reticulação. Aplicamos uma intensidade moderada de 1,4 mW / cm 2 no comprimento de onda de 365 nm, fornecidos por vários LEDs. Tempo de exposição através da lâmina de vidro é apenas 1-3 min, devido à elevada taxa de transmissão de UV de vidro em comparação com o PEN. </li><li> Desmoldagem manualmente descascar o molde fora da lâmina de vidro. </li></ol> 5. Caracterização da Amostra <ol&gt; <li> Use o seu favorito técnica, morfológica elétrica ou óptica para caracterizar as amostras nanomoulded. Aqui nós caracterizar nossas amostras nanomoulded usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia de força atômica (AFM). </li></ol>

<ol><li>Geissler, M., Xia, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Patterning%3A+Principles+and+Some+New+Developments%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Patterning: Principles and Some New Developments.</a> Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).</li>
<li>Guo, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoimprint+Lithography%3A+Methods+and+Material+Requirements%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements.</a> Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).</li>
<li>Ahn, S. H., Guo, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-Area+Roll-to-Roll+and+Roll-to-Plate+Nanoimprint+Lithography%3A+A+Step+toward+High-Throughput%5BTitle%5D)+AND+%22Application+of+Continuous+Nanoimprinting.+ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Large-Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: A Step toward High-Throughput.</a> Application of Continuous Nanoimprinting. ACS Nano. 3 (8), 2304-2310 (2009).</li>
<li>Battaglia, C., Escarré, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoimprint+Lithography+for+High-Efficiency+Thin-Film+Silicon+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells.</a> Nano Letters. 11, 661-665 (2011).</li>
<li>Battaglia, C., Escarré, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanomoulding+of+Transparent+Zinc+Oxide+Electrodes+for+Efficient+Light+Trapping+in+Solar+Cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photonics%22%5BJournal%5D)">Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells.</a> Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).</li>
<li>Escarré, J., Söderström, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+Fidelity+Transfer+of+Nanometric+Random+Textures+by+UV+Embossing+for+Thin+Film+Solar+Cells+Applications%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+%26+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications.</a> Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).</li>
<li>Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rough+ZnO+layers+by+LP-CVD+process+and+their+effect+in+improving+performances+of+amorphous+and+microcrystalline+silicon+solar+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Solar+Energy+Materials+and+Solar+Cells%22%5BJournal%5D)">Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells.</a> Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).</li>
<li>Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabrication+of+Three-Dimensional+Micro-Structures%3A+Microtransfer+Molding%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding.</a> Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).</li>
<li>Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Patterning+of+Sub-500+nm+Inorganic+Oxide+Structures%5BTitle%5D)+AND+%22Advanced+Materials%22%5BJournal%5D)">The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures.</a> Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).</li>
<li>Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transfer+Molding+of+Nanoscale+Oxides+Using+Water-Soluble+Templates%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates.</a> ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).</li>
<li>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).</li>
<li>Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-area+fabrication+of+equidistant+free-standing+Si+crystals+on+nanoimprinted+glass%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Status+Solidi.+RRL%22%5BJournal%5D)">Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass.</a> Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).</li>
</ol>

Não há conflitos de interesse declarados.

Nanomoulding permite a transferência de nanopatterns sobre arbitrárias materiais funcionais. Comparação das etapas de processamento individuais da Figura 1 e 2 revela a estreita relação entre nanomoulding e nanoimpressão. A principal diferença entre nanomoulding e nanoimpressão é a etapa de deposição de material adicional na Figura 2e. O fluxo do processo restante é idêntico. Nanomoulding pode, portanto, ser realizada em qualquer configuração nanoimpressão disponível. <...

Microusinagem ganhou importância enorme em muitas áreas de nanotecnologia e ciências aplicadas. Geração de padrões é o primeiro passo e pode ser realizada por abordagens de cima para baixo, como a litografia por feixe de elétrons ou de baixo para cima abordagens baseadas em auto-montagem de métodos tais como a litografia de nanoesferas ou copolímero em bloco de litografia 1. Tão importante quanto a geração de padrões é a replicação padrão. Além fotolitografia, nanoimpressão (Figura 1) tem emergido como uma alternativa promissora, em particular adequado para a modelação de alto rendimento de grande área a baixo custo em nanoescala 2-4. Enquanto fotolitografia requer uma máscara padronizada, nanoimpressão se baseia em uma estrutura pré-fabricada mestre. Transferência de padrão do mestre é normalmente realizada em um termoplástico ou um polímero ou UV-curável termicamente. No entanto, existem muitos casos em que é desejável para transferir o padrão directamente sobre um material funcional. &lt;classe p = &quot;jove_content&quot;&gt; Aqui descrevemos um método baseado em replicação e transferência nanomoulding camada (Figura 2) que, recentemente introduzida em Ref. 5 para transferir os padrões em nanoescala para eléctrodos de óxido de zinco funcionais. O nosso método de nanomoulding pode ser facilmente implementado, se uma instalação de nanoimpressão está disponível. Nanomoulding oferece o potencial de ser generalizada para muitos outros materiais funcionais, pilhas de materiais e dispositivos, mesmo completa, desde que o material do molde é escolhido de tal forma que é compatível com o processo de deposição de material (es). Como exemplo, aqui presentes nanomoulding de condutor transparente de óxido de zinco (ZnO) eletrodos depositados por deposição química a vapor (CVD), que encontram a sua aplicação para melhorar a captura de luz em células solares 5.

<table border="1"><tbody><tr><td> Nome do reagente </td><td> Companhia </td><td> Número de Catálogo </td><td> Comentários (opcional) </td></tr><tr><td> Resina nanoimpressão </td><td> Microresist </td><td> Ormostamp </td><td></td></tr><tr><td> (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, agente anti-aderência </td><td> Sigma Aldrich </td><td> 448931-10G </td><td></td></tr><tr><td> Lâminas de vidro </td><td> Schott </td><td> AF32 eco </td><td> 0,5 milímetros </td></tr><tr><td> Naftalato polietileno (PEN) folhas </td><td> Goodfellow </td><td> ES361090 </td><td> 0,125 milímetro </td></tr><tr><td> (C 2 H 5) 2 Zn </td><td> Akzo Nobel </td><td></td><td></td></tr><tr><td> Ag sputter 4N alvo </td><td> Heraeus </td><td> 81062165 </td><td></td></tr><tr><td> B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2 </td><td> Messer </td><td></td><td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> EQUIPAMENTOS </td></tr><tr><td> Nanoimpressão sistema </td><td> Home-construído </td><td></td><td></td></tr><tr><td> LP-CVD sistema </td><td> Home-construído </td><td></td><td></td></tr><tr><td> PVD sistema </td><td> Leybold </td><td> Univex 450 B </td><td></td></tr><tr><td> PE-CVD reactor </td><td> Indeotec </td><td> Polvo I </td><td></td></tr><tr><td> SEM </td><td> JEOL </td><td> JSM-7500 TFE </td><td></td></tr><tr><td> AFM </td><td> Instrumentos Digitais </td><td> Nanoscope 3100 </td><td></td></tr></tbody></table>

nanomoulding de materiais funcionais, um método de replicação versátil complementar padrão para nanoimpressão

Nanomoulding of Functional Materials, a Versatile Complementary Pattern Replication Method to Nanoimprinting

Descrevemos uma técnica que permite que nanomoulding baixo custo nanoescala padronização de materiais funcionais, pilhas de materiais e dispositivos completos. Nanomoulding combinada com a transferência da camada permite a replicação de padrões de superfície a partir de uma estrutura arbitrárias mestre para o material funcional. Nanomoulding pode ser realizada em qualquer configuração de nanoimpressão e pode ser aplicado a uma grande variedade de materiais e processos de deposição. Em particular, demonstrar a fabricação de eletrodos de óxido de zinco estampados transparentes para aplicações leves de aprisionamento em células solares.

<html> A Figura 3 resume alguns exemplos ilustrativos de estruturas nanomoulded. Uma estrutura mestre ZnO crescidos por CVD no vidro é mostrada em (a). O correspondente nanomoulded ZnO réplica é mostrado em (d). Comparação da altura do local (g) e (j) do ângulo histogramas extraídos de imagens de AFM revela a alta fidelidade do processo de nanomoulding. Resultados análogos são mostrados por uma grade unidimensional fabricados por litografia interferência (b, e, h, k) e alumínio anodicamente texturizado (...

Descrevemos uma técnica que permite que nanomoulding baixo custo nanoescala padronização de materiais funcionais, pilhas de materiais e dispositivos completos. Nanomoulding pode ser realizada em qualquer configuração de nanoimpressão e pode ser aplicado a uma grande variedade de materiais e processos de deposição.

Nanomoulding de Materiais Funcionais, um método de replicação Versátil Complementar Padrão para nanoimpressão

We describe a nanomoulding technique which  allows low-cost nanoscale patterning of functional materials, materials stacks  and full devices. Nanomoulding ...

O objetivo geral deste procedimento é transferir um padrão de uma estrutura mestre arbitrária para um material funcional. Este vídeo ilustra o procedimento usando óxido de zinco como um material funcional, a transferência de padrão é realizada primeiro fabricando um molde negativo a partir da estrutura mestre. O segundo passo é criar a réplica de óxido de zinco adicionando primeiro uma camada antiaderente ao molde, seguida pela deposição de óxido de zinco, o óxido de zinco é então ancorado ao substrato de vidro final usando uma resina curada por UV e finalmente liberado de seu molde.Em última análise, várias réplicas funcionais podem ser preparadas a partir de um único molde mestre usando esta técnica, enquanto outra impressão serve tradicionalmente para padronizar uma resina UV ou termicamente curável. A nanomoldagem oferece o potencial de ser generalizada para muitos outros materiais funcionais, pilhas de materiais e até dispositivos completos, desde que o material do molde seja escolhido compatível com o processo de deposição do material. Tivemos a ideia para esse método pela primeira vez quando tentamos encontrar uma maneira de obter um eletrodo nano impresso condutor transpare

nanomoulding-functional-materials-versatile-complementary-pattern

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JoVE Journal

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Engenharia

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Microfabricação de Chip porte Andaimes para tridimensional de cultivo celular

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