Fabricação de matrizes de periódicos Nanocup ouro usando litografia coloidal

O objetivo geral deste procedimento é fabricar e caracterizar arranjos periódicos de nanocálices de ouro utilizando uma técnica de baixo custo e simples chamada litografia coloidal. Nanocálices ou nanocamadas de ouro possuem propriedades ópticas únicas que têm encontrado aplicações em áreas como óptica não linear, metamateriais e detecção química. Neste vídeo, você aprenderá como fabricar filmes flexíveis e transparentes com arranjos nano-plasmônicos utilizando uma técnica de baixo custo baseada na auto-organização de nanoesferas de poliestireno altamente monodispersas.

Essa abordagem apresenta a vantagem da escalabilidade em comparação com processos em série, como a litografia EUV. Esses filmes, constituídos por arranjos periódicos de nanocálices ou nanocamadas de ouro, têm aplicações que vão desde sensores químicos, indicação de violação, até fotovoltaicos. Além disso, é simples ajustar a ressonância de plasmon desses filmes do visível ao infravermelho próximo, dependendo da aplicação desejada.

Este vídeo descreverá a fabricação de arranjos de nanocálices de ouro sobre um substrato de silicone sacrificável, a caracterização óptica das estruturas resultantes e a transferência das películas para um filme adesivo transparente. Primeiro, coloque várias pastilhas de silicone em um suporte de quartzo para limpeza por plasma. Isso garante uma superfície limpa e hidrofílica, essencial para a auto-organização das nanoesferas poliméricas.

Em seguida, coloque o suporte de quartzo no sistema de plasma e inicie o vácuo. O sistema foi configurado para uma limpeza com plasma de oxigênio de 250 watts por 15 minutos, com uma vazão de 30 SCCM de oxigênio. Enquanto as pastilhas de silicone estão sendo limpas por plasma, retire a solução de nanoesferas de poliestireno da geladeira e deixe-as aquecer até a temperatura ambiente.

Para ajudar a garantir uma solução uniforme, misture brevemente a solução em vórtex por um minuto. Em seguida, sonique a solução por um minuto. Para obter uma monocamada durante o espalhamento por rotação, geralmente é necessário diluir a solução estoque de 10 por cento em peso de nanoesferas.

Para fazer isso, utilizamos água limpa e de alta pureza para diluir a solução de nanoesferas até uma concentração de cinco por cento em peso de sólidos. Remova as pastilhas de silicone limpas do sistema de plasma e inspecione-as quanto a contaminantes, como poeira ou resíduos orgânicos. Se uma pastilha for aceitável, fixe-a no centro do espalhador rotativo e inicie o vácuo.

Em seguida, ajuste o espalhador por rotação na velocidade, aceleração e tempo de rotação apropriados. Isso variará conforme o tamanho e a concentração das nanoesferas de poliestireno utilizadas. Neste caso, ajuste o espalhador por rotação para 3.000 rpm, 2.000 rpm por segundo, durante um minuto, para obter cobertura em monocamada.

Tomando uma solução diluída de nanoesferas, use uma seringa de plástico para retirar aproximadamente um mililitro da solução de nanoesferas. Em seguida, fixe um filtro de cinco mícrons na extremidade da seringa. Isso ajudará a remover qualquer aglomerado que possa comprometer negativamente a qualidade do filme auto-organizado.

Segure a seringa sobre o spin coater mais robusto e pressione o êmbolo até que uma gota da solução de nanoesferas seja liberada. Em seguida, com um movimento contínuo, distribua uma quantidade suficiente da solução no centro da pastilha até que aproximadamente 2/3 da pastilha estejam cobertos. Feche a tampa e inicie o ciclo de rotação.

Aguarde até que o ciclo de centrifugação tenha sido concluído, libere o vácuo, abra a tampa e remova a pastilha. Limpe o interior do spin coater, certificando-se de remover qualquer solução em excesso de nanoesferas. Antes de prosseguir, é essencial avaliar a qualidade do filme depositado por centrifugação.

Primeiro, podemos inspecionar visualmente, procurando por eventuais defeitos causados por bolhas de ar, poeira ou aglomerados. Em seguida, podemos utilizar microscopia óptica para avaliar mais detalhadamente a qualidade do filme. Após ligar a fonte de luz e posicionar a amostra sob a objetiva, podemos avaliar claramente a qualidade do filme, incluindo a formação de multicamadas, defeitos ou furos.

Nestas imagens, observamos um filme de alta qualidade, um filme contendo múltiplas camadas e um filme contendo orifícios. A técnica final para avaliar a qualidade do filme é utilizar microscopia eletrônica de varredura. Isso nos permite visualizar o filme em escala nanométrica.

Após avaliar a qualidade do filme, precisamos agora recozir as nanoesferas ao substrato. Coloque o substrato em uma estufa a 107 graus Celsius por aproximadamente dois minutos. Retire o substrato da estufa e deixe esfriar brevemente até a temperatura ambiente.

Em seguida, transfira o substrato recozido para o sistema de plasma para gravação. Configure o sistema de plasma em 75 watts, 20 SCCM de oxigênio e 175 segundos de tempo de gravação. Inicie o fluxo de oxigênio.

Aguarde até que a pressão se estabilize e inicie o plasma de RF. Como mostrado, o plasma de oxigênio ataca isotropicamente as nanoesferas de poliestireno, resultando em uma matriz periódica de esferas uniformemente espaçadas. Após a gravação, deposite uma camada intermediária de 29 de ouro utilizando revestimento por pulverização catódica.

As estruturas anisotrópicas podem ser produzidas variando o ângulo de deposição. Para essas amostras, o ouro foi depositado normalmente ao substrato. Mostrado aqui à esquerda está um wafer de duas polegadas com nanoesferas de poliestireno depositadas por centrifugação.

À direita está uma pastilha após a deposição de ouro. Um microespectrofotômetro é usado para medir as propriedades ópticas do arranjo de nanocálices de ouro no substrato de silicone. O pico de ressonância de plasmon ocorre aproximadamente em 650 nanômetros.

O passo final deste protocolo é transferir o arranjo de nanocálices de ouro para um filme flexível e conformável. Utilizamos fita adesiva transparente e sensível à pressão para realizar essa técnica de destacamento rápida e simples. Pegando uma tira de fita, coloque-a cuidadosamente em contato com o substrato revestido com ouro.

Pode ser necessário remover suavemente quaisquer bolhas de ar que possam ter se formado entre a superfície do wafer e a fita. Uma vez que a fita tenha feito bom contato com o substrato, desprenda-a suavemente. Após a remoção completa da fita, o resultado é um filme flexível e conformal de nanocálices dispostos periodicamente.

Utilizando este método, filmes nano plasmônicos foram fabricados usando litografia coloidal, gravação plasmática e metalização, onde as nanoesferas de poliestireno funcionaram como uma máscara de modelo autoorganizável para a deposição de nanocálices metálicos. Os resultados do processo de fabricação foram verificados por meio de microscopia eletrônica de varredura. Aqui, observamos as micrografias da monocamada autoorganizada de nanoesferas de poliestireno, das nanoesferas gravadas e dos nanocálices após a deposição metálica.

As propriedades ópticas dessas películas incluem boa transmissão de luz até aproximadamente 70% no espectro visível, mantendo ao mesmo tempo uma ressonância de plásmon claramente identificável. A litografia coloidal é uma técnica rápida e potencialmente de baixo custo para fabricar películas nano-plasmônicas. Este método requer apenas equipamentos comumente disponíveis, e as películas nano-plasmônicas podem ser preparadas em apenas algumas horas.

Aqui, demonstramos como utilizar esta técnica para produzir filmes constituídos por arranjos periódicos de nanocálices de ouro com resposta plasmônica no espectro visível. Após dominar esta técnica, você poderá fabricar uma grande variedade de filmes nano plasmônicos com respostas ópticas tanto no visível quanto no infravermelho próximo.