Nanomoulding функциональных материалов, Универсальный дополнительный метод репликации Шаблон для Nanoimprinting

Краткое содержание

Мы описываем технику nanomoulding, которая позволяет недорогим нано структурирования функциональных материалов, материалов трубы и полный устройств. Nanomoulding могут быть выполнены на любом nanoimprinting установки и может быть применен к широкому спектру материалов и процессов осаждения.

Аннотация

Мы описываем технику nanomoulding, которая позволяет недорогим нано структурирования функциональных материалов, материалов трубы и полный устройств. Nanomoulding в сочетании с передачей слой обеспечивает репликацию произвольных структуры поверхности с мастер-структуры на функциональную материала. Nanomoulding могут быть выполнены на любом nanoimprinting установки и может быть применен к широкому спектру материалов и процессов осаждения. В частности, мы покажем, изготовление узорной прозрачных электродов оксида цинка для легкого захвата применения в солнечных элементах.

Введение

Nanopatterning приобрела огромное значение во многих областях нанотехнологий и прикладных наук. Pattern поколения является первым шагом и может быть достигнуто путем сверху вниз подходов, таких как электронно-лучевой литографии или снизу вверх подходы, основанные на самостоятельной сборки методы, такие как литография наносферы или блок-сополимер литографии ^1. Как важно, как картина поколения шаблон репликации. Кроме того фотолитографии, nanoimprinting (рис. 1) появился как перспективную альтернативу, в частности, подходит для высокой пропускной большой площади нано структурирования по низкой цене ^2-4. В то время как фотолитографии требует узорной маски, nanoimprinting опирается на структуру мастер сборных. План перехода от мастера обычно проводится в термопластичный или УФ-или термически отверждаемых полимеров. Однако есть много случаев, когда желательно, чтобы передать картину непосредственно на функциональных материалов.

<р = класса "jove_content"> Здесь мы опишем репликации метод, основанный на nanomoulding и слой передачи (рис. 2), который мы недавно ввели в работе. ⁵ до передачи наноразмерных функциональных моделей на электродах оксида цинка. Наши nanomoulding метод может быть легко реализована, если nanoimprinting установки доступны. Nanomoulding предлагает потенциал, чтобы быть обобщен на многие другие функциональные материалы, материалы, трубы и даже комплектных устройств, при условии, что формовочного материала выбрана так, что она совместима с процессом осаждения материала (ов). В качестве примера мы приведем здесь nanomoulding из прозрачного проводящего оксида цинка (ZnO) электроды на хранение химического осаждения из паровой фазы (CVD), которые находят свое применение для повышения свет захвата в солнечных батареях ^5.

Протокол

1. Изготовление пресс-форм

Мы используем наш самодельный nanoimprinting установки для изготовления отрицательных форм следующих Ref. ^6, но любые альтернативные настройки nanoimprinting будет прекрасно работать. Кроме того функционализированного полидиметилсилоксана (PDMS) плесень может также работать.

1. Изготовить или купить подходящие мастер проведение наноразмерных картины будут переданы. В принципе, любой мастер подходит для nanoimprinting будет делать эту работу. Мы используем текстурированных слоев ZnO на листовое стекло (Schott, AF32 экологической, 41 мм х 41 мм х 0,5 мм) на хранение, как описано в разделе 3.1 в качестве главного структуры для иллюстрации метода.
2. Применить антиадгезионный слой на основной структуры, как описано в пункте 2.
3. Очистите naphtalate полиэтилена (PEN) лист (Goodfellow, 82 мм х 41 мм х 0,125 мм) в ультразвуковой ванне ацетоном в течение 2 мин с последующим ультразвуковым изопропанол бане в течение еще 2 мин. Промойте еще раз с изопропанола и сушить азотом.
4. Депозит распыленных Cr адгезионный слой (5-10 нм) на PEN листа.
5. Спин-покрытие УФ-смолы (Microresist, Ormocer, 1-2 мл) на PEN лист на 5000 оборотов в минуту, чтобы получить равномерное покрытие.
6. Выполните обожженных в течение 5 мин на горячей плите при температуре 80 ° C для испарения растворителя, улучшить однородность пленки и адгезия к ПЕН-лист.
7. Используйте свой nanoimprinting установки искоренить мастер шаблона в УФ-смолы. Хотя это и не обязательно, мы выполняем тиснение под вакуумом, чтобы предотвратить пузырь включений путем применения однородного давления 1 бар на гибкой мембраны силикон. В нашей установке, силиконовая мембрана отделяет вакуумную камеру на две подгруппы-купе. Давление создается вентиляции верхний отсек, а нижний отсек остается под вакуумом. Вентиляция толкает гибкой мембраны к основанию начала штамповки.
8. Expose смола УФ-излучения, чтобы вызвать реакции сшивания полимера. Мы применяем умеренный светИнтенсивность в 1,4 мВт / см ² при длине волны 365 нм обеспечивается несколькими светодиодами. Выдержка через PEN листа, как правило, 15-20 мин.
9. Осторожно выемки из формы вручную, пилинг плесень с мастером структуры.
10. Как смола может пройти небольшой усадкой в ​​процессе осаждения функциональных материалов, которые могут привести к спонтанному пилинг, мы выполняем мягким тепловым выпекать сообщение при 150 ° С в течение 6-8 часов в духовке с окружающей атмосферой перед дальнейшей обработкой.

2. Anti-адгезионный слой

Для успешного извлечения из формы, антиадгезионный слой должен быть адаптирован к материалам и образец шероховатости. Вообще грубой модели требуют низких коэффициентов прилипания. Низкие коэффициенты прилипания на гладких моделей может привести к шелушению функциональных материалов из формы. Высокие коэффициенты прилипания на грубой модели может привести к отслаиванию смолы из ПЕН-лист во время изготовления формы, как adherenсе из смолы на мастер сильнее.

1. Смазать форму (или мастер) с распыленного слоя хрома (5-10 нм) в целях содействия адгезии антиадгезионный агент. Для гладких моделей мы отказаться от этого шага. В некоторых случаях слой хрома может предотвратить антиадгезионный агент для травления мастер структуру.
2. Нанесите каплю антиадгезионный агент (Sigma-Aldrich, (1Н, 1Н, 2Н, 2Н-Perfluoroctyl)-трихлорсилана) на предметное стекло. Положите стекло вместе с формой в вакуумную камеру и откачивают. Антиадгезионный агент будет испаряться и внести в качестве молекулярного монослоя на плесень.
3. Закрепите антиадгезионный агент по отжигу в течение 1-2 часов при температуре 80 ° C.

3. Осаждения материала

Мы демонстрируем здесь три осаждения методов, пригодных для осаждения материала, чтобы показать универсальность nanomoulding. Другие методы осаждения также может быть применен. Третий пример описывает фасмазывания полной тонкопленочных кремниевых солнечных элементов.

1. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) оксида цинка: Поместите форму на отопление плиты реактора CVD нагревали до 180 ° C. Используйте металлический каркас, чтобы избежать изгиба PEN формы во время осаждения ZnO. Закрыть реактора, откачка и позволяют термализации. Признайтесь предшественник газов (H ₂ O и (C ₂ H _{5) 2} Zn). Кроме того, мы доз небольшое количество B ₂ H ₆ на допинг. Толщина слоя ZnO пропорционально времени осаждения. Мы используем ZnO слоем толщиной обычно 1-5 мкм. Подробная информация о типичных параметров осаждения могут быть найдены в работе ^7.
2. Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) / напыление из серебра: Поместите формы в системе PVD. Закройте системы и откачку. Признайтесь аргона технологического газа. Включите генератор постоянного тока. Толщина слоя Ag снова пропорционально времени осаждения. Мы используем Ag слой толщиной 1 мкм обычно. Типичные р осажденияarameters являются давлении аргона 5.5x10 ^-3 мбар и установки удельная мощность постоянного тока 250 Вт уступая скорости осаждения примерно 45 нм / сек.
3. Плазменно-химического осаждения из паровой фазы (PE-CVD): Deposit ZnO, как в 3,1). Поставьте форму в PE-CVD реактор нагревают до 200 ° C. Закрыть реактора, откачка и позволяют термализации. Признайтесь газов-прекурсоров (SiH ₄ и H _2). Кроме того, мы доз небольшое количество B (CH _{3) 3} и PH ₃ для достижения р-и п-типа легирования соответственно. Для увеличения напряжения холостого хода солнечных элементов, мы также используем небольших количествах CH ₄ и CO ₂ для легированных слоев. После нанесения контактных аморфных кремниевых солнечных батарее, мы внести backcontact ZnO, как описано в разделе 3.1.
4. Избегайте чрезмерного изгиба формы, как изгиб может вызвать шелушение осажденного слоя.

4. Слой передачи

Мы используем стеклянныйс горки (Schott AF32 экологической, 41 мм х 41 мм х 0,5 мм), а окончательный субстрат. Но другие субстраты, в том числе металлической фольги или полимерных листов, могут быть использованы в качестве альтернативы.

1. Чистые предметные стекла с помощью ацетона и изопропанола и высушите азотом.
2. Спин-покрытие УФ-смолы (Microresist, Ormocer, 1-2 мл) на стекло при 5000 оборотах в минуту.
3. Используйте свой nanoimprinting установки на якорь формы проведения нанесенных слоев на конечный субстрат. Как для штамповки, мы выполняем крепления под вакуумом с применением однородного давления 1 бар.
4. Expose смола УФ-излучения, чтобы вызвать реакции сшивания. Мы применяем умеренной интенсивности от 1,4 мВт / см ² при длине волны 365 нм обеспечивается несколькими светодиодами. Выдержка через стекло только 1-3 мин за счет более высокой УФ-передачи стекла по сравнению с PEN.
5. Выемки из формы вручную чистить плесень стекло.

5. Примеры характеристик

1. Используйте ваш любимый морфологических, электрической или оптической техники для характеристики nanomoulded образцов. Здесь мы характеризуем наши nanomoulded образцов с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) и атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Результаты

На рисунке 3 приведены некоторые примеры, иллюстрирующие nanomoulded структур. Структуры ZnO мастер выросла на сердечно-сосудистых заболеваний на стекле показано на рисунке (а). Соответствующее nanomoulded ZnO реплики показано в (г). Сравнение локальной высоты (г) и углов (J) гистограммы, извлеченные из АСМ-изображений показывают высокую точность процесса nanomoulding. Аналогичные результаты приведены для одномерной решетки изготовлены вмешательства литографии (B, E, H, K) и анодно текстурированны...

Обсуждение

Nanomoulding позволяет передавать nanopatterns на произвольных функциональных материалов. Сравнение отдельных этапов обработки на рисунках 1 и 2 показывает тесную взаимосвязь между nanomoulding и nanoimprinting. Основное различие между nanomoulding и nanoimprinting является дополнительным шагом осаждения материала на рис 2e. Оставшийся поток процесс идентичен. Nanomoulding поэтому может быть выполнена на любом доступном установки nanoimprinting.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Название реагента	Компания	Номер по каталогу	Комментарии (по желанию)
Nanoimprinting смолы	Microresist	Ormostamp
(1Н, 1Н, 2Н, 2Н-Perfluoroctyl)-трихлорсилана, антиадгезионный агент	Sigma Aldrich	448931-10G
Стеклах	Schott	AF32 экологически	0,5 мм
Полиэтилен naphtalate (PEN) листов	Goodfellow	ES361090	0,125 мм
(C 2 H 5) 2 Zn	Akzo Nobel
Ag распыления целевой 4N	Heraeus	81062165
B 2 H 6, SiH 4, H 2, B (CH 3) 3, PH 3, CH 4, CO 2	Messer
			ОБОРУДОВАНИЕ
Nanoimprinting системы	Самодельный
LP-CVD системы	Самодельный
PVD системы	Leybold	Univex 450 B
PE-CVD реактор	Indeotec	Octopus я
SEM	JEOL	JSM-7500 TFE
AFM	Digital Instruments	Наноскоп 3100