Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Оценка плазмонного переноса в токонесущих серебряных нанопроволоках

5K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51048

⸱

11 декабря 2013 г.

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne CNRS-UMR 6303, Université de Bourgogne, 2Department of Optics and Optical Engineering, University of Science and Technology of China, 3CEMES, CNRS-UPR 8011

В этой статье

Краткое содержание

Серебряные нанопроволоки могут одновременно переносить электроны и оптическую информацию в виде поверхностных плазмонов. Здесь описана процедура реализации такой общей схемы и оценены ограничения при распространении обоих носителей информации.

Аннотация

Плазмоника - это новая технология, способная одновременно передавать плазмонный сигнал и электронный сигнал на одном информационном носителе1,2,3. В этом контексте металлические нанопроволоки особенно желательны для реализации плотных маршрутизирующих сетей4. Предпосылкой для работы такой общей платформы на основе нанопроводов является наша способность электрически контактировать с отдельными металлическими нанопроводами и эффективно возбуждать поверхностные плазмонполяритоны5 в этой информационной поддержке. В данной статье мы описываем протокол подключения электрических клемм к химически синтезированным серебряным нанопроводам6, случайно распределенным на стеклянной подложке7. Положения концов нанопроволоки по отношению к заданным ориентирам точно определяются с помощью стандартной оптической просвечивающей микроскопии перед инкапсуляцией в электронно-чувствительный резист. Впадины, представляющие расположение электродов, впоследствии проектируются с помощью электронно-лучевой литографии. Затем металлические электроды изготавливаются путем термического испарения слоя Cr/Au с последующим химическим отрывом. Контактирующие нанопроволоки серебра в конечном итоге переносятся в микроскоп излучения утечки для возбуждения поверхностного плазмона и определения его характеристик8,9. Поверхностные плазмоны запускаются в нанопроволоках путем фокусировки лазерного луча в ближнем инфракрасном диапазоне на дифракционно-ограниченном пятне, перекрывающем один конец нанопроволоки5,9. Для достаточно крупных нанопроволок поверхностная плазмонная мода просачивается в стеклянную подложку9,10. Это излучение утечки легко обнаруживается, визуализируется и анализируется в различных сопряженных плоскостях в микроскопии излученияутечки 9,11. Электрические клеммы не влияют на распространение плазмонов. Однако вызванное током морфологическое ухудшение нанопроволоки резко ухудшает поток поверхностных плазмонов. Сочетание поверхностной плазмонной радиационной микроскопии с одновременным анализом характеристик электрического транспорта нанопроволоки позволяет выявить внутренние ограничения такой плазмонной схемы.

Введение

Плазмоника стремится объединить электронику и фотонику в общую физическую опору через посредничество волны электронной плотности, называемой поверхностным плазмоном поляритон1,2,3. Поверхностный плазмон может перемещаться в волноводных системах различной геометрии и границах раздела. Среди них особенно желательны металлические нанопроволоки. Будучи квазиодномерными структурами, они радикально ограничивают плазмонное поле глубоким субволновым масштабом, действуя как электрические соединения, способные поддерживать поток электронов, как показано на художественном рисунке на рисунке 1.

Как поверхностное распространение плазмонов, так и перенос электронов чувствительны к структурным неоднородностям нанопроволоки (например, изломы, кристаллические дефекты и т.д.). Поскольку они могут расти в виде монокристалла с небольшим количеством дефектов, химически синтезированные металлические нанопроволоки6обычно обеспечивают улучшенные транспортные характеристики по сравнению с нанопроволоками из аморфных металлов, изготовленными с помощью нисходящих подходов (например, электронно-лучевой литографии)12. Реализация элементарной ячейки плазмонной сети требует переноса нанопроводов из коллоидного раствора на стеклянную подложку. Без какого-либо специфического сложного предварительного структурирования, такого как функционализация поверхности13 или методы самосборки14, нанопроволоки, как правило, случайным образом ориентированы на подложке. Такое неконтролируемое распределение ориентаций резко усложняет электрическое соединение нанопровода с внешним источником питания.

В этой статье случайно ориентированные химически синтезированные серебряные нанопроволоки успешно контактируют с электрическими клеммами источника и стока. Для этого оптическая микроскопия сочетается с электронно-лучевой литографией для точного определения местоположения нанопроволоки и создания электрических контактов15,16. Описана процедура определения характеристик электроплазмонных характеристик схемы. После изготовления электродов контактировавшие нанопроволоки переносятся в микроскоп поверхностного плазмонного излучения утечки для анализа влияния потока электронов на распространение поверхностных плазмонов. В микроскопе используется перевернутое основание, оснащенное масляно-иммерсионным объективом с высокой числовой апертурой и двумя камерами с устройством с зарядовой связью (ПЗС), размещенными в плоскости сопряженного объекта и сопряженной плоскости Фурье соответственно. Эти две сопряженные плоскости предоставляют дополнительную информацию о свойствах поверхностных плазмонов. Детали распространения напрямую выводятся из анализа плоскости изображения, в то время как распределение импульса визуализируется с помощью изображения в плоскости Фурье9.

Поверхностные плазмоны возбуждаются в отдельной нанопроволоке путем фокусировки лазерного луча ближнего инфракрасного диапазона в точке, ограниченном дифракцией, на границе стекло/воздух. Когда конец нанопроволоки выравнивается внутри фокальной области, рассеянный падающий лазерный свет создает широкое распределение волновых векторов, некоторые из которых резонируют с возбуждением поверхностного плазмона. Распространение этой поверхностной волны визуализируется либо путем сбора данных об утечке моды, излучаемой в подложке, либо путем наблюдения за плазмоном, рассеянным на дистальном конце нанопроволоки. Длина распространения и эффективный показатель формы плазмона с утечкой на поверхности измеряются путем анализа распределений интенсивности в двухплоскостной радиационной микроскопии с утечкой.

Как только в нанопроводе образуется поверхностный плазмон, выводы стока и источника на каждом конце нанопровода подключаются к источнику регулируемого напряжения. ПЗС-камеры в режиме реального времени контролируют свойства поверхностного плазмона в зависимости от тока, протекающего через нанопроволоку. Для каждого значения характеристики электропередачи определяются эффективный индекс и длина распространения поверхностной плазмонной моды. Эта методика позволяет оценить ограниченность схемы на основе нанопроволоки для одновременного поддержания транспорта электронов и плазмонов7.

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

Протокол

1. Синтез коллоидного раствора серебряных нанопроволок

Серебряные нанопроволоки (Ag NWs) с гладкой поверхностью и однородной структурой синтезированы с использованием модифицированного метода с помощью полиолов6. При типичном синтезе Ag NW поэтапно выполняются следующие процедуры:

  1. Налейте 12 мл этиленгликоля (EG) в предварительно очищенную колбу с круглым дном объемом 100 мл.
  2. Нагрейте раствор при 150 °C в течение 1 часа в масляной бане (диметилсиликон) при магнитном перемешивании со скоростью 260 об/мин.
  3. Добавьте 4 мл AgNO3 (0,2 М в растворе EG) по капле. Во время этого процесса цвет реакционного раствора меняется с бесцветного на прозрачный ярко-желтый, что говорит о росте серебряных кристаллических затравок.
  4. Медленно введите 4 мл раствора поли-(винилпирролидона) (ПВП) (концентрация 22,2 мг/мл в растворе ЭГ) в реакционный раствор с помощью пипетки. В этой реакции EG служит как растворителем, так и восстановителем, а PVP позволяет монокристаллу серебра расти в определенном направлении.
  5. Накройте реакционную колбу крышкой. Через 150 мин цвет раствора меняется со светло-желтого на шалфейно-зеленый. Наконец, коллоид выглядит мутным серебристо-серым.
  6. Остановите реакцию, поместив колбу в ледяную водяную баню, чтобы снизить температуру раствора.
  7. Перенесите 1 мл коллоидного раствора в центрифужную пробирку, заполненную 3 мл ацетона.
  8. Центрифугируйте пробирку при плотности 600 x g в течение 25 минут.
  9. Удалите надосадочную жидкость и добавьте 4 мл деионизированной воды.
  10. Повторите шаги 1.8-1.9 не менее 3 раз, чтобы удалить избыток EG и PVP.

2. Подготовка макроскопических ориентиров выравнивания на стеклянной подложке с помощью электронно-лучевой литографии

  1. Очистите покровное стекло микроскопа N°1 1/2, откалиброванное для масляной иммерсионной микроскопии, в разбавленном концентрированном мыльном растворе [1:3] с помощью ультразвуковой ванны.
  2. Сначала промойте в большом объеме деионизированной воды, после чего последует второе промывание изопропанолом. Просушите чехол феном с азотом.
  3. Пипеткой 160 мл полиметилметакрилата (ПММА) электронным пучком резистируют (см. таблицу реактивов) и наносят на нее покрытую NW подложку со следующими последовательными параметрами покрытия:
    1. 10 сек при скорости 4 x g и ускорении 4 x g/сек.
    2. 1 сек при скорости 350 x g и ускорении 200 x g/сек.
    3. 60 сек при скорости 700 x g и ускорении 200 x g/сек.
  4. Выпекать образец при температуре 170 °C в течение 10 минут на горячей плите.
  5. Повторите шаги 2.2-2.4 для получения второго слоя резиста для облегчения отрыва в конце процедуры. Используйте один и тот же электронно-лучевой резист для обоих слоев.
  6. Нанесите тонкий проводящий слой золота (20 нм) на верхнюю часть образца, прежде чем приступить к электронно-лучевой литографии.
  7. Перенесите образец в электронно-лучевой микроскоп, оборудованный для литографии. С помощью клетки Фарадея установите ток луча на 150 пА.
  8. Экспонируйте образец в соответствии с проектной схемой ориентиров сетки с шагом 48 нм, временем пребывания на пиксель 0,0243 мс для дозы 150 мкА/см2.
  9. Проявите образец с помощью МИБК (метилизобутилкетон): IPA (изопропанол) в соотношении [1:3] в течение 45 сек. Остановите процесс, погрузив образец в изопропанол еще на 45 сек.
  10. Перенесите субстрат в металлический испаритель, работающий при базовом давлении 8 х 10-8 мбар. Осаждение со скоростью испарения 0,1 нм/сек на 2 нм Cr (адгезионного слоя) с последующим накоплением 70 нм Au.
  11. Приступайте к химическому подъему образца с помощью ацетона, нагретого до 70 °C в течение примерно 1,5 часа.

3. Осаждение нанопроволок на подложку

  1. Раствор нанопроволоки разбавляют в этаноле для получения плотности нанопроволоки на подложке примерно одной нанопроволоки каждые 10мкм2.
  2. Наберите пипеткой 50 мкл раствора и каплей отлите его на предварительно структурированную подложку. Высушить феном с азотом.

4. Определение местоположения нанопроводов с помощью оптического микроскопа

  1. Поместите подложку, украшенную нанопроволокой, на стандартный откалиброванный оптический микроскоп.
  2. Точное определение местоположения концов ряда изолированных высококачественных нанопроводов относительно ближайших юстировочных меток.

5. Изготовление электродов методом электронно-лучевой литографии, термического испарения и химического отрыва

  1. Используйте измеренное положение нанопроволок для проектирования компоновки электродов. Используйте большие приемные площадки (50 мкм x 50 мкм) для подключения вольфрамовых щупов напряжения к электроду, идущему к нанопроводам.
  2. Пипетка 160 мл полиметилметакрилата (ПММА) резистирует электронным пучком (см. таблицу реактивов) и наносит на покрытую нанопроволокой подложку со следующими последовательными параметрами покрытия:
    1. 10 сек при скорости 4 x g и ускорении 4 x g/сек.
    2. 1 сек при скорости 350 x g и ускорении 200 x g/сек.
    3. 60 сек при скорости 700 x g и ускорении 200 x g/сек.
  3. Выпекать образец при температуре 170 °C в течение 10 минут на горячей плите.
  4. Повторите шаги 5.2-5.3 для получения второго слоя резиста, который облегчит отрыв в конце процедуры. Используйте один и тот же электронно-лучевой резист для обоих слоев.
  5. Нанесите тонкий проводящий слой золота (20 нм) на верхнюю часть образца, прежде чем приступить к электронно-лучевой литографии.
  6. Перенесите образец в электронно-лучевой микроскоп, оборудованный для литографии. С помощью клетки Фарадея установите ток луча на 150 пА.
  7. С помощью юстировочных меток откалибруйте систему координат электронно-лучевого микроскопа.
  8. Экспонируйте образец в соответствии с проектной схемой с шагом 48 нм, временем выдержки на пиксель 0,0243 мс для дозы 150 мкА/см2.
  9. Проявите образец с помощью МИБК (метилизобутилкетон): IPA (изопропанол) в соотношении [1:3] в течение 45 сек. Остановите процесс, погрузив проявленный образец в изопропанол еще на 45 сек.
  10. Перенесите субстрат в металлический испаритель, работающий при базовом давлении 8 х 10-8 мбар. Осаждение со скоростью испарения 0,1 нм/с, 2 нм Cr (адгезионного слоя) с последующим 70 нм Au.
  11. Приступайте к химическому подъему образца с помощью ацетона, нагретого до 70 °C в течение примерно 1,5 часа.

6. Перенос на поверхность микроскопа излучения с утечкой плазмонов

  1. Установите поверхностный плазмонный микроскоп утечки, оснащенный объективом с большой числовой апертурой (N.A.>1) и двухосевым пьезоэлектрическим столиком для регулировки положения образца.
  2. Подготовьте коллимированный гауссов пучок от лазера ближнего инфракрасного диапазона. Большая длина волны возбуждения обеспечивает большее расстояние распространения плазмона. Выровняйте луч в микроскопе. Диаметр коллимируемого пучка должен перекрывать входной зрачок микроскопа. Это обеспечивает образование ограниченного дифракцией фокусного пятна на границе стекло/воздух.
  3. С помощью светоделителей и ряда релейных линз, расположенных на одном выходном порту микроскопа, образуют две плоскости, сопряженные с плоскостью объекта и с плоскостью Фурье (задней фокальной плоскостью объектива) соответственно. Поместите две камеры устройств с зарядовой связью (ПЗС) в местах расположения этих сопряженных плоскостей.
  4. С помощью пьезоэлектрического каскада выровняйте конец выбранной контактной нанопроволоки, чтобы перекрыть фокальное пятно. Отрегулируйте положение, чтобы максимизировать связь света с плазмонным режимом.
  5. Подключите регулируемый источник питания к приемным площадкам электрических клемм с вольфрамовыми наконечниками, установленными на трехмерных механических щупах. Вставьте в схему преобразователь тока в напряжение с низким коэффициентом усиления (коэффициент усиления 10 мА/В) или измеритель тока.
  6. Отслеживайте приложенное смещение, ток, протекающий через нанопроволоку, и распределение интенсивности, зарегистрированное двумя камерами ПЗС-матрицы.

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

Результаты

Рисунок 2(a) представляет собой микрофотографию, полученную с помощью сканирующего электронного микроскопа, на которой виден типичный нанопровод из Ag длиной 10 mm, синтезированный по описанному выше протоколу. Ширина нанопровода здесь составляет 200 nm, что показано на увеличенном изображении левого конца на Рисунке 2(b). На рисунке отчетливо видна пятикратная симметрия роста кристалла. На поверхности нанопровода нет видимых дефектов (например, изломов, частиц и т. д.)...

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

Обсуждение

В синтезе используется избыток химического поверхностно-активного вещества, остающегося связанным на поверхности нанопроволоки, как показано на микрофотографии просвечивающего электрона на рисунке 9(а). Этот слой создает диэлектрический барьер, препятствующий протеканию тока через границу раздела электрод-нанопроволока. На рисунках 10(a) и (b) приведены типичные примеры вольт-амперных характеристик. Резкие шаги тока при определенных смещениях акцентируют кривые. Эти шаги...

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

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

Исследования, приведшие к этим результатам, получили финансирование от Европейского исследовательского совета в рамках Седьмой рамочной программы Европейского сообщества FP7/2007–2013 Грантовое соглашение No 306772 и грант ERC-2007-StG No 203872-COMOSYEL. Эта работа также частично финансируется Национальным агентством исследований (ANR) в рамках гранта Plastips (ANR-09-BLAN-0049). А. С. благодарит стипендию на получение докторской степени от Бургундского региона в рамках программы PARI. M.S. получает стипендию от Китайского совета по стипендиям. D.Z. выражает благодарность за поддержку со стороны Национального фонда естественных наук Китая в предоставлении грантов 11004182 и 61036005.

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

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
DMEMInvitrogenABCD1234
этиленгликоль (EG)Sinopharm Chemical Reagent Co., LtdT20111130
PMMAAllresistAR-P 679
Ацетон Analar NormapurVWR Prolabo20066.296
Изопропанол (IPA) Analar NormapurVWR Prolabo20842.298
AgNO3Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd20080826
Поли-(винилпирролидон) (PVP)Aladdin Chemistry Co., Ltd1041671-31744
DimethysiliconeSinopharm Group Group Company LimitedH201-500
Пропиленгликоль метиловый эфир ацетатаМикрохимикаты GmbhAZ EBR
Инвертированный оптический микроскопNikonTE 2000
Объектив для микроскопаNikon1.49/100X TIRF Plan-Apo
CCD камеры (2x)AndorLuca-S
Регулируемый источник питанияRHKSPM 1000
Сбор данныхRHKSPM 1000
Преобразователь тока в напряжениесамодельныйУсиление 10 мА/В
Электронный луч микроскопJEOLFEG 6500
Аддон для литографииRAITHElphy
SpincoaterPRIMUSSTT15
Термический испарительPLASSYSMEB 400
Микрометровый зондирующий столик (2x)SÜ SS MicroTecPH110
Пьезоэлектрический столикMad City LabsNano LP100

Ссылки

  1. Ozbay, E. Plasmonics: Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Sci. 311 (5758), 189-193 (1126).
  2. Zia, R., Schuller, J. A., Chandran, A., Brongersma, M. L. Plasmonics: the next chip-scale technology. Mater. Today. 9 (7), (2006).
  3. Genet, W., C,, Bozhevolnyi, S. I. Surface-plasmon circuitry. Phys. Today. 61 (5), 44-50 (2008).
  4. Pyayt, A. L., Wiley, B., Xia, Y., Chen, A., Dalton, L. Integration of photonic and silver nanowire plasmonic waveguides. Nat. Nanotechnol. 3, 660-665 (2008).
  5. Dickson, R. M., Lyon, L. A. Unidirectional Plasmon Propagation in Metallic Nanowires. J. Phys. Chem. B. 104, 6095-6098 (2000).
  6. Kan, C. X., Zhu, J. -J., Zhu, X. -G. Silver nanostructures with well-controlled shapes-synthesis, characterization and growth mechanism. J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (15), 155304(2008).
  7. Song, M., et al. Electron-induced limitation of surface plasmon propagation in silver nanowires. Nanotechnol. 24 (9), (2013).
  8. Drezet, A., et al. Leakage radiation microscopy of surface plasmonpolaritons. Mater. Sci. Eng. B. 148, 220-229 (2007).
  9. Song, M., et al. Imaging Symmetry-Selected Corner Plasmon Modes in Penta-Twinned Crystalline Ag Nanowires. ACS Nano. 5 (7), 5874-5880 (1021).
  10. Miljković, V., Shegai, T., Johansson, P., Käll, M. Simulating light scattering from supported plasmonic nanowires. Opt. Express. 20 (10), 10816-10826 (2012).
  11. Massenot, S., et al. Polymer-metal waveguides characterization by Fourier plane leakage radiation microscopy. Appl. Phys. Lett. 91, (2007).
  12. Ditlbacher, H., et al. Silver Nanowires as Surface Plasmon Resonators. Phys. Rev. Lett. 95 (25), 257403(2005).
  13. Margueritat, J., et al. Influence of the number of nanoparticles on the enhancement properties of surface-enhanced Raman scattering active area: sensitivity versus repeatability. ACS Nano. 5 (3), 1630-1638 (2011).
  14. Rivera, T. P., Lecarme, O., Hartmann, J., Rossitto, E., Berton, K., Peyrade, D. Assisted convective-capillary force assembly of gold colloids in a microfluidic cell: Plasmonic properties of deterministic nanostructures. J. Vac. Sci. Technol. B. 26, 2513-2519 (2008).
  15. Cronin, S. B., et al. Thermoelectric investigation of bismuth nanowires. 18th international conference on Thermoelectrics, , 554-557 (1999).
  16. Cronin, S. B., et al. Making electrical contacts yo nanowires with a thick oxide coating. Nanotechnol. 13 (5), 653(2002).
  17. Colasdes Francs, G., et al. Integrated plasmonic waveguides: A mode solver based on density of states formulation. Phys. Rev. B. 80 (11), 115419(2009).
  18. Stahlmecke, B., et al. Electromigration in self-organized single-crystalline silver nanowires. Appl. Phys. Lett. 88 (5), 053122(2006).
  19. Kim, F., Sohn, K., Wu, J., Huang, J. Chemical Synthesis of Gold Nanowires in Acidic Solutions. J. American Chem. Soc. 130 (5), 14442-14443 (2008).
  20. Novotny, L., Hecht, B. Princ. Nano-Opt. , Cambridge University Press. (2006).
  21. Wang, W. M., et al. Dip-pen nanolithography of electrical contacts to single-walled carbon nanotubes. ACS Nano. 3 (11), 35443-33551 (2009).
  22. Kuzyk, A. Dielectrophoresis at the nanoscale. Electrophoresis. 32 (17), 2307-2313 (2011).
  23. Freer, E. M., Grachev, O., Duan, X., Martin, S., Stumbo, D. P. High-yield self-limiting single-nanowire assembly with dielectrophoresis. Nat. Technol. 5, 525-530 (2010).
  24. Huang, J. -S., et al. Atomically-flat single-crystalline gold nanostructures for plasmonic nanocircuitry. Nat. Comm. 1, 150(2010).

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

Перепечатки и разрешения

Теги

Электронно-лучевая литографиямикроскопия утечки излучениявозбуждение поверхностных плазмоновизготовление электрических контактовближний инфракрасный лазервольт-амперная характеристикаанализ распространения плазмоновморфология нанопроволок
Оценка плазмонного переноса в токонесущих серебряных нанопроволоках
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.