Методическая статья

Метод для изготовления наноструктур Disconnected серебро в 3D

DOI:

10.3791/4399

⸱

27 ноября 2012 г.

 ,  , 
1School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University , 2Department of Physics, Harvard University

В этой статье

Краткое содержание

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

Фемтосекундного лазера прямого написания часто используется для создания трехмерных (3D) моделей в полимерах и стеклах. Тем не менее, структурирование металлов в 3D остается проблемой. Мы опишем способ изготовления серебряных наноструктур внедренные в полимерную матрицу помощью фемтосекундного лазера с центром в точке 800 нм.

Аннотация

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

Стандартный набор инструментов нанофабрикации включает методы, направленные прежде всего на создание 2D-структур в диэлектрических средах. Создание металлических структур субмикронного масштаба требует сочетания инструментов нанофабрикации и нескольких этапов обработки материалов. Например, этапы создания плоских металлических структур с помощью ультрафиолетовой фотолитографии и электронно-лучевой литографии могут включать экспонирование образца, проявление образца, осаждение металла и селективное удаление (лифтофф) металла. Для создания 3D-металлических структур эта последовательность повторяется несколько раз. Сложность и трудность наслоения и совмещения нескольких слоев ограничивают практическое применение 3D-структурирования металлов с использованием стандартных инструментов нанофабрикации. Прямая запись фемтосекундным лазером стала ведущим методом 3D-нанофабрикации.1,2 Фемтосекундные лазеры часто используются для создания 3D-структур в полимерах и стеклах.3-7 Однако прямая запись 3D-структур из металла по-прежнему представляет собой сложную задачу. Здесь мы описываем метод изготовления серебряных наноструктур, встроенных в полимерную матрицу, с использованием фемтосекундного лазера с центральной длиной волны 800 nm. Данный метод позволяет создавать структуры, невыполнимые с помощью других методов, такие как 3D-массивы несвязанных серебряных вокселей.8 Несвязанные 3D-металлические структуры полезны для метаматериалов, в которых элементарные ячейки не контактируют друг с другом,9 например, в резонаторах на основе связанных металлических точек10,11 или связанных металлических стержней12,13. Потенциальные области применения включают метаматериалы с отрицательным индексом преломления, плащи-невидимки и идеальные линзы.

При прямой записи фемтосекундным лазером длина волны лазера выбирается таким образом, чтобы фотоны не поглощались линейно в целевой среде. Когда длительность лазерного импульса сжимается до фемтосекундного временного масштаба, а излучение сильно фокусируется внутри мишени, чрезвычайно высокая интенсивность вызывает нелинейное поглощение. Одновременное поглощение нескольких фотонов вызывает электронные переходы, которые приводят к модификации материала в области фокусировки. Используя этот подход, можно создавать структуры в объеме материала, а не на его поверхности.

Большинство работ по трехмерной прямой записи металлом было сосредоточено на создании самоподдерживающихся металлических структур.14-16 Метод, описанный здесь, позволяет получать субмикронные серебряные структуры, которые не требуют самоподдержки, так как они внедрены в матрицу. Легированная полимерная матрица готовится с использованием смеси нитрата серебра (AgNO3), поливинилпирролидона (PVP) и воды (H2O). Затем образцы структурируют путем облучения фемтосекундным лазером с частотой 11 MHz, генерирующим импульсы длительностью 50 fs. Во время облучения за счет нелинейного поглощения индуцируется фотовосстановление ионов серебра, что приводит к образованию агрегата наночастиц серебра в фокальной области. Используя данный подход, мы создаем серебряные структуры, внедренные в легированную матрицу PVP. Добавление трехмерного перемещения образца позволяет распространить структурирование в три измерения.

Протокол

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

1. Подготовка Металл-ионная полимерная пленка легированных

  1. Измерьте 8 мл воды в стакане.
  2. Добавить 206 мг PVP в воду. Смешать с использованием магнитной мешалки или вихревой смеситель, пока раствор не станет прозрачным.
  3. Добавить 210 мг AgNO 3 в растворе. Смешать с использованием магнитной мешалки или вихревой смеситель, пока раствор не станет прозрачным.
  4. Пальто стекло с раствором через падение литья.
  5. Место стекло в сушильном шкафу при температуре 100 ° C. Выпекать образца в течение 30 мин.
  6. Снять образец из духовки и дайте остыть в течение 30 мин.

2. Изготовление Disconnected структур Серебряный

  1. Выровнять установки изображена на рисунке 1 на оптический стол с виброизоляторы.
  2. Отрегулируйте компрессор для получения 50-фс импульсов после объектива микроскопа.
  3. Настройте фильтры нейтральной плотности для получения 3-нДж импульсами после того, как цель.
  4. Убедитесь, размер лазерного пятна больше, чем назад апертура объектива микроскопа.
  5. Установить акустооптического модулятора для получения 10-мкс воздействия окна в течение которого образец облучается.
  6. Блок лазерного луча до его попадания в микроскоп и место образца на 3-осевой стадии перевода. Пути луча фемтосекундного лазерного импульса должна пройти через объектив микроскопа изображений и в образец.
  7. Включите источник освещения микроскопа наблюдать за образцом на месте с помощью ПЗС-камеры.
  8. Перевести оси стадии, чтобы найти взаимосвязь между стеклянной подложкой и полимерная пленка. Тогда, переориентировать микроскопа на необходимую глубину внутрь полимера для формирования паттерна самый нижний слой. Z-перевода при переносе изображения должны быть в направлении от стекла полимер, чтобы избежать рассеяния с сфабрикованы структуры.
  9. Разблокировать лазерного луча и набор движений контроллера программного обеспечения для перевода образца в х - у - и Z - направления со скоростью 100 мкм / сек. Облучения одного вокселов в течение 10 мксй отдельной соседних вокселей по крайней мере, несколько микрометров четкого на месте изображения. Установка акустооптического модулятора с частотой повторения 25 Гц будет производить 4-мкм интервал. Лазерная открытых участках будет содержать серебро структур.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Акустооптического модулятора и фильтры нейтральной плотности (рис. 1) позволяют контролировать количество энергии, вложенной в образце. Использование экспозиции из 110 импульсов в воксела и 3 нДж на импульс, с этапом перевода на 100 мкм / сек, полученных структур серебра хорошо видны через на месте оптического микроскопа. Нижние уровни лазерного воздействия (за счет уменьшения энергии импульса и / или количество импульсов) приводит к меньшим особенности серебро,. Мы наблюдали детали размером до...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Ключом к процессу получения легированных диэлектрической матрице, что позволяет с высокой изготовление разрешение, но не ухудшает вскоре после приготовления. Простая смесь ПВП, AgNO 3 и H 2 O позволяет создавать высокое разрешение серебра наноструктур, внедренных в матрицу поддержки. Изменение ПВП AgNO 3 соотношение изменится лазерной энергии, необходимой для изготовления, и, возможно, других свойств, таких как функция разрешения. Низкое отношение приводит к ускорению деградации диэлектр...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Нет конфликта интересов объявлены.

Благодарности

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

Мы признаем, Paul Webster JL для 3D-рендеринга оптические данные с Amira. Фил Муньоса и Бенджамин Franta высказали свое мнение о рукописи всем протяжении ее развития. Исследования, описанные в этой статье была поддержана Управлением ВВС научные исследования в рамках грантов FA9550-09-1-0546 и FA9550-10-1-0402.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи