Изготовление периодических золото Nanocup массивов с использованием коллоидного литография

Общая цель данной процедуры — изготовление и характеристика периодических массивов золотых наночаш с использованием недорогого и простого метода, называемого коллоидной литографией. Золотые наночаши или нанооболочки обладают уникальными оптическими свойствами, которые нашли применение в таких областях, как нелинейная оптика, метаматериалы и химический сенсинг. В этом видео вы узнаете, как изготовить гибкие прозрачные наноплазмонные массивные пленки с помощью доступного метода, основанного на самосборке высокомонодисперсных полистирольных наносфер.

Этот подход обладает преимуществом масштабируемости по сравнению с последовательными процессами, такими как EUV-литография. Данные пленки, состоящие из периодических массивов золотых наночаш или нанооболочек, находят применение в различных областях: от химического сенсинга и индикации вскрытия до фотовольтаики. Кроме того, плазмонный резонанс этих пленок легко настраивается в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного излучения в зависимости от конкретной задачи.

В данном видео будет описан процесс изготовления массивов золотых наночаш на жертвенной силиконовой подложке, оптическая характеристика полученных структур и перенос пленок на прозрачную адгезивную пленку. Сначала поместите несколько силиконовых пластин в кварцевый держатель для плазменной очистки. Это обеспечит чистую гидрофильную поверхность, которая необходима для самосборки полимерных наносфер.

Затем поместите кварцевый держатель в плазменную систему и создайте вакуум. Система была настроена на 15-минутную очистку кислородной плазмой мощностью 250 watt при скорости потока кислорода 30 SCCM. Пока силиконовые пластины проходят плазменную очистку, извлеките раствор полистирольных наносфер из холодильника и дайте им нагреться до комнатной температуры.

Для обеспечения однородности раствора подвергните его кратковременному перемешиванию на вортексе в течение одной минуты. Затем обработайте раствор ультразвуком в течение одной минуты. Для получения монослоя при центрифужном нанесении (спин-коатинге), как правило, необходимо разбавить исходный 10 вес.% раствор наносфер.

Для этого мы используем чистую воду высокой степени очистки, чтобы разбавить раствор наносфер до содержания твердой фазы 5% по массе. Извлеките чистые кремниевые пластины из установки плазменного травления и проверьте их на наличие загрязнений, таких как пыль или органические остатки. Если пластина пригодна для использования, закрепите ее в центре центрифуги для нанесения покрытий и включите вакуум.

Затем установите на центрифуге для нанесения спин-покрытием подходящую скорость, ускорение и время вращения. Эти параметры зависят от размера и концентрации используемых полистирольных наносфер. В данном случае установите параметры центрифуги на 3 000 rpm, ускорение 2 000 rpm в секунду и время вращения одну минуту для получения монослойного покрытия.

Возьмите разбавленный раствор наносфер и с помощью пластикового шприца наберите примерно один миллилитр этого раствора. Затем установите на конец шприца фильтр с размером пор 5 мкм. Это поможет удалить любые агломераты, которые могут отрицательно повлиять на качество самосборной пленки.

Удерживайте шприц над центрифугой для нанесения покрытий и нажмите на поршень до тех пор, пока не выделится капля раствора наносфер. Затем плавным движением нанесите на центр пластины достаточное количество раствора, чтобы было покрыто примерно 2/3 поверхности пластины. Закройте крышку и запустите цикл вращения.

Дождитесь завершения цикла центрифугирования, затем сбросьте вакуум, откройте крышку и извлеките пластину. Протрите внутреннюю часть центрифуги, чтобы удалить излишки раствора наносфер. Прежде чем продолжить, необходимо оценить качество полученной центрифугируемой пленки.

Сначала можно провести визуальный осмотр, чтобы выявить любые дефекты, вызванные пузырьками воздуха, пылью или агломератами. Затем для дальнейшей оценки качества пленки можно использовать оптическую микроскопию. После включения источника света и размещения образца под объективом можно четко оценить качество пленки, включая формирование многослойных структур, наличие дефектов или отверстий.

На этих изображениях мы видим высококачественную пленку, пленку с многослойной структурой и пленку с отверстиями. Заключительным методом оценки качества пленки является использование сканирующей электронной микроскопии. Это позволяет нам визуализировать пленку на наноуровне.

После оценки качества пленки необходимо провести отжиг наносфер на подложке. Поместите подложку в печь при температуре 107 °C примерно на две минуты. Извлеките подложку из печи и дайте ей ненадолго остыть до комнатной температуры.

Затем перенесите отожженную подложку в систему плазменного травления. Установите следующие параметры системы: мощность 75 watts, поток кислорода 20 SCCM и время травления 175 seconds. Запустите подачу кислорода.

Дождитесь стабилизации давления и запустите ВЧ-плазму. Как показано, кислородная плазма изотропно травит полистирольные наносферы, в результате чего образуется периодический массив равномерно распределенных сфер. После травления нанесите промежуточный слой золота толщиной 29 нм с помощью магнетронного напыления.

Анизотропные структуры можно создавать путем изменения угла осаждения. Для данных образцов золото осаждали перпендикулярно подложке. Слева показана двухдюймовая пластина с нанесенными методом центрифугирования полистирольными наносферами.

Справа представлена пластина после осаждения золота. Для измерения оптических свойств массива наночаш из золота на силиконовой подложке используется микроспектрофотометр. Пик плазмонного резонанса наблюдается примерно при 650 нанометрах.

Заключительным этапом данного протокола является перенос массива золотых наночаш на гибкую конформную пленку. Для выполнения этого быстрого и простого метода отрыва мы используем прозрачную клейкую ленту, чувствительную к давлению. Возьмите полоску ленты и осторожно приложите ее к подложке с золотым покрытием.

Возможно, потребуется осторожно удалить пузырьки воздуха, которые могли образоваться между поверхностью пластины и лентой. После того как лента плотно прилегает к подложке, осторожно отклейте её. После полного удаления ленты в результате получается гибкая конформная пленка из периодически расположенных наностаканов.

С помощью этого метода были изготовлены наноплазмонные пленки с использованием коллоидной литографии, плазменного травления и металлизации, при этом наносферы полистирола служили самособирающейся шаблонной маской для осаждения металлических наночаш. Результаты процесса изготовления были подтверждены с помощью сканирующей электронной микроскопии. Здесь представлены микрофотографии самособранного монослоя наносфер полистирола, вытравленных наносфер и наночаш после осаждения металла.

Оптические свойства этих пленок включают хорошее светопропускание — до примерно 70% в видимом спектре — при сохранении четко выраженного плазмонного резонанса. Коллоидная литография представляет собой быстрый и потенциально недорогой метод изготовления наноплазмонных пленок. Для данной методики требуется только общедоступное оборудование, а наноплазмонные пленки могут быть подготовлены всего за несколько часов.

Здесь мы продемонстрировали, как использовать данный метод для создания пленок, состоящих из периодических массивов золотых наночаш с плазмонным откликом в видимом спектре. Освоив эту технику, вы сможете изготавливать широкий спектр наноплазмонных пленок с оптическим откликом как в видимой, так и в ближней инфракрасной области.