Summary
Femtosecond lazer doğrudan yazma sık polimerler ve gözlük üç boyutlu (3D) desenleri oluşturmak için kullanılır. Ancak, 3D modelleme metal bir sorun olmaya devam etmektedir. Biz 800 nm'de merkezlenmiş bir femtosaniye lazer kullanılarak polimer bir matris içine gömülü gümüş nanoyapıların imalatı için bir yöntem açıklanmaktadır.
Abstract
Standart Nanofabrikasyona araç öncelikle dielektrik medya 2D desenleri yaratmayı amaçlayan teknikler içerir. Bir mikron ölçekte metal desenleri oluşturma Nanofabrikasyona araçları ve çeşitli malzeme işleme adımları bir arada gerektirir. Örneğin, ultraviyole fotolitografi ve elektron demeti litografi kullanarak düzlemsel metal yapılar örnek pozlamaya, örnek geliştirme, metal birikimi, ve metal Fırlatmaya içerebilir oluşturmak için adımlar. 3D metal yapılar oluşturmak için, sırası birden çok kez tekrarlanır. Çoklu katmanlar istifleme ve uyumlaştırma karmaşıklığı ve zorluğu standart Nanofabrikasyona araçları kullanarak 3D Metal yapılanma pratik uygulamaları sınırlar. Femtosecond lazer doğrudan yazma 3D Nanofabrikasyona için seçkin bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. 1,2 Femtosecond lazerler sık polimerler ve gözlük 3D modelleri oluşturmak için kullanılır. 3-7 Ancak, 3D metal direk-yazma bir sorun olmaya devam etmektedir. Burada,800 nm'de merkezlenmiş bir femtosaniye lazer kullanılarak polimer bir matris içine gömülü gümüş nanoyapıları imal etmek için bir yöntem açıklanmaktadır. Yöntem böyle bir kesik gümüş voksel 3B dizileri gibi diğer teknikler kullanılarak uygulanabilir olmadığı kalıpların üretimi sağlar. 8 Ayrılmış 3D metal desenler örneğin çiftli metal nokta 10 gibi birim hücre birbirleri ile temas halinde olmayan metamalzemeler, 9 için yararlıdır 11 veya çiftli metal çubuk 12,13 rezonatörler. Potansiyel uygulamalar negatif endeks metamalzemeler, görünmezlik pelerinleri, ve mükemmel lensler vardır.
Femtosaniye lazer doğrudan yazma, lazer dalgaboyu şekilde foton lineer hedef ortamda absorbe edilmez seçilir. Lazer darbeli süre femtosaniye zaman ölçeği için sıkıştırılır ve radyasyon sıkıca hedef içinde odaklandığı zaman, son derece yüksek yoğunluklu doğrusal olmayan emme indükler. Birden fotonlar aynı anda emilirodaklanmış bölgede malzemenin modifikasyona sebep elektronik geçişler neden ly. Bu yaklaşımı kullanarak, tek bir malzeme kütlesinin yerine kendi yüzeyi üzerinde yapılar oluşturabilir.
3D doğrudan metal yazma çoğu iş kendinden destekli metal yapılar oluşturmaya odaklanmıştır. 14-16 yöntemi burada bir matris içine gömülü olduğundan kendinden destekli olması gerekmez alt-mikrometre gümüş yapılar üretir nitelendirdi. Katkılı bir polimer matris, bir gümüş nitrat karışımı (AgNO 3), polivinilpirolidon (PVP) ve su (H2O) kullanılarak hazırlanmıştır. Örnekler daha sonra 50-fs bakliyat üreten bir 11 MHz femtosecond lazer ile ışınlama ile desenli. Işınlama süresince gümüş iyonları Fotolitik fokal bölgede gümüş nanopartikülleri bir toplam oluşturma, doğrusal olmayan soğurma ile indüklenir. Bu yaklaşımı kullanarak bir katkılı PVP matriks içinde gömülü gümüş desenleri oluşturmak. S 3D çevirisi eklemeGeniş üç boyuta desenlendirme uzanır.
Protocol
1. Metal iyon Katkılı Polimer Film Hazırlanması
- Bir beher su 8 ml ölçün.
- Su ile PVP 206 mg ekleyin. Çözümü netleşene kadar manyetik karıştırıcı veya vorteks karıştırıcı kullanılarak karıştırılır.
- Çözeltisine AgNO 3 210 mg ekleyin. Çözümü netleşene kadar manyetik karıştırıcı veya vorteks karıştırıcı kullanılarak karıştırılır.
- Damla döküm yoluyla çözümü ile kaplayın cam slayt.
- 100 ° C bir fırın grubu içinde yer cam slayt 30 dakika için örnek pişirilir.
- Fırından örnek çıkarın ve 30 dakika soğumaya bırakın.
2. Disconnected Gümüş Yapıların İmalatı
- Titreşim izolatörleri ile optik tablo Şekil 1'de gösterildiği kurulum hizalayın.
- Mikroskop objektif sonrası 50-FSEC bakliyat elde kompresör ayarlayın.
- Nesnel sonra 3-nJ bakliyat elde nötral yoğunluk filtreleri ayarlayın.
- Lazer spot büyüklüğü olun mikroskop objektif arka diyafram daha büyüktür.
- Örnek aydınlatılır sırasında 10 μsec pozlama pencereleri üretmek için acousto-optik modülatör ayarlayın.
- Bu 3 eksenli çeviri sahneye mikroskop ve yeri örnek ulaşır Blok lazer ışını önce. Femtosaniye lazer atımlarının ışın yolu görüntüleme amacı ile mikroskop ve numune içine geçmesi gerekir.
- CCD kamera kullanarak in-situ örneği gözlemlemek için mikroskop ışık kaynağı açın.
- Cam yüzey ve polimer film arasında arayüz bulmak için sahne z ekseni Çevir. Daha sonra, modelleme en alttaki katman için polimer içinde istenilen derinliğe kadar mikroskop yönlendirmesi. Modelleme sırasında Z-çeviri fabrikasyon yapılar ile saçılma olmaması için cam polimer arayüzü yönünde olmalıdır.
- 100 mikron / sn hız ile yol tarifi -, - y - ve z lazer ışını ve set hareket denetleyicisi yazılımı x örnek çevirmek engellemesini kaldırın. 10 μsec bir için tek vokseller ışınnet in-situ görüntüleme için en az birkaç mikrometre ile nd ayrı komşu vokseller. 25 Hz acousto-optik modülatör tekrarlama hızının ayarlanması 4-mikron aralığı üretecek. Lazer maruz kalan bölgelerde gümüş yapıları içerecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Acousto-optik modülatör ve nötral yoğunluk filtreleri (Şekil 1) bir örnek yatırılır enerji miktarını kontrol etmenizi sağlar. Aşamasında 100 mikron / sn çeviri ile, voksel ve puls başına 3 nJ başına 110 bakliyat bir pozlama kullanarak, çıkan gümüş yapıların yerinde optik mikroskop ile kolayca görülebilir. Alt lazer maruziyet düzeyleri (darbe enerjisi ve / veya nabız sayısını azaltarak) küçük gümüş özelliklerine kurşun;. Biz 300 nm gibi küçük özellikler gözlemledim 8 Öyle az birinden darbe enerjilerin geniş bir yelpazede kullanarak gümüş yapılarını oluşturmak mümkündür Birkaç nanojoules için nanojoule. Şekil 3 uydurulmuş bir örnek alınan optik görüntüleri 3D görüntü gösterir. Başka bir dizi üst nokta bir dizi oluşan desen, iki açıdan gösterilmiştir. Veriler de videolar aracılığıyla görüntülenebilir olabilir; sıralı optik mikroskop görüntüleri video makalede canlandırılmıştır. Thipolimer matrisinin ckness damla döküm işlemi sırasında kullanılan çözelti miktarı ile kontrol edilir. 2.5 cm x 2.5 cm cam slayt üzerine çözüm Bir mililitre yaklaşık 15 mikron kalınlığında bir film vermesi.
Fabrikasyon gümüş yapıların yüksek çözünürlükte resimler SEM görüntüleme yoluyla elde edilebilir. Şekil 4, doğrudan cam alt tabaka üzerinde üretilmişlerdir nokta 2B dizi içeren bir örnek SEM görüntülerini. Biz kolayca boyutu alt-mikrometre olan gümüş özelliklerini edinin.
Şekil 1. Lazer imalat kurulum. Bizim imalat kurulum temel bileşenleri bir femtosaniye lazer, bir Faraday izolatör, bir kompresör, bir acousto-optik modülatör (AOM), nötr yoğunluklu (ND) filtresi, kamera ile bir mikroskop, bir yüksek hassasiyetli 3 eksenli çeviri aşamasında bulunmaktadır ve optik masa montaj titreşim izolatörleri üzerinde ed. Lazer 11 MHz'lik bir tekrarlama oranı ile 800 nm'de merkezlenmiş 50-fs lazer darbeleri üretir. Kompresör örnek 50-ds bakliyat elde etmek için optik ışın yolu içinde dağılım için ön-telafi eder. Örnek lazere maruz kontrol etmek için bir kapak ve bir zayıflatıcı olarak AOM ve ND filtre fonksiyonu. Biz aynı anda lazer ışını ve üretim sırasında görüntü örnek odaklamak için bir 0.8-NA mikroskop objektif kullanın. Örnek pozisyon yüksek hassasiyetli bir 3-eksenli çeviri aşama tarafından kontrol edilir. Tüm kurulum vibrasyon yalıtımı olan bir optik masa üzerinde monte edilmektedir.
Şekil 2. Deney genel şematik. Örnek PVP, AgNO 3 ve H 2 O. oluşan bir karışım ile kaplanması ile bir cam slayt hazırlanır Örnek hazırlandığında, modelleme bir tek-aşamalı bir işlemdir.
Şekil 3. 3D bir matris içine gümüş bir nokta dizisi görüntüleri oluşturulur. Bir matris içinde oluşturulan 18 gümüş nokta (a) 2-tabaka dizisi. Berraklık için, nokta iki kat farklı renklerde temsil edilmektedir. Render sıralı optik mikroskop görüntüleri istifleme tarafından oluşturuldu. 3D dizinin (b) farklı bir görünüm.
Şekil 4. Yüksek çözünürlüklü bir desenli numunenin SEM görüntüleri. Gümüş nokta görüntüleme SEM sağlamak için cam / polimer arayüzü de oluşturulur. Polimer matris elektron ışını tarafından tahrik ek gümüş büyümeyi önlemek için fabrikasyon sonra kaldırılır. Cam bir yüzey üzerinde gümüş noktalar 2D array 8 (a) Görüntü. A) 61 ° eğim gümüş noktaların görünümünü Close upaçısı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Işlemin anahtarı yüksek çözünürlüklü üretim sağlayan katkılı dielektrik matris elde edilir, ancak hazırlandıktan sonra en kısa aşağılamak değildir. PVP, AgNO 3 ve H 2 O basit bir karışımı bir destek matriks içine gömülü yüksek çözünürlüklü gümüş nanoyapıların oluşturulmasını sağlar. AgNO 3 oranı PVP değişen üretim için gerekli lazer enerjisi değiştirebilir ve bu özelliği çözünürlük gibi potansiyel olarak diğer özellikleri olacaktır. Düşük oran dielektrik matrisin hızlı bozulmaya yol açar, ve bir yüksek oran fabrikasyon özellikleri gümüş çok düşük miktarlarda yol açar.
Boyutu-hangi asgari lazer nokta dalga boyu, lazer ışın modu parametresi ve mikroskop objektif sayısal açıklık (NA)-bizim sistem için 900 nm bağlıdır. Işık-madde etkileşimlerinin doğrusal olmayan doğası bu nokta boyutundan küçük olan gümüş özelliklere yol açabilir. Biz 300-nm gümüş ® u göstermiştirBizim optik kurulum şarkı. Bu deneyde kullanılan 8 hedefi desen kalın 3D örnekler potansiyeli sağlayan 0.8 NA ve 3 mm'lik bir çalışma mesafesi vardır. 1.4 güçlü odaklama-NA teknikleri-cekti çalışma süresinin kısa mesafe tradeoff ile çok daha küçük bir lazer spot büyüklüğü yol femtosaniye lazer desenleme için tipiktir.
Tekniğinin çözünürlük kimya değiştirerek, potansiyel, güçlü odaklama optikler ile artmış ve olabilir. Ters yönde, büyük özellikleri kolayca lazer enerji ve ışınlama süresi artırarak oluşturulabilir. Bu tür kısa çizgiler gibi spesifik bir şekilde, bir mesafe boyunca kesintisiz lazer tarama ile elde edilebilir. Tekniğin Gelecekteki uygulamalarda negatif indeks metamalzemeler, görünmezlik palto ve optik ve kızıl ötesi dalga boyu rejimler için ideal lensler de içerebilir. 9 Bu uygulamalar kuvvetle sIL optik özelliklerine bağlı olacaktırver Nanoyapıların.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Biz Amira ile optik veri 3D render için Paul JL Webster kabul ediyorsunuz. Phil Muñoz ve Benjamin Franta geliştirilmesi sürecinde yazması hakkında geri bildirim sağladı. Bu yazıda anlatılan araştırma hibeleri FA9550-09-1-0546 ve FA9550-10-1-0402 kapsamında Bilimsel Araştırma Hava Kuvvetleri Ofisi tarafından desteklenmiştir.
References
- von Freymann, G., et al. Three-Dimensional Nanostructures for Photonics. Advanced Functional Materials. 20, 1038-1052 (2010).
- LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A. Multiphoton Fabrication. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6238-6258 (2007).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).
- 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).
- Haske, W., et al. 65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography. Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).
- 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).
- Tan, D., et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. Appl. Phys. Lett. 90, 071106 (2007).
- 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).
- Güney, D. Ö, Koschny, T., Soukoulis, C. M. Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial. Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).
- Grigorenko, A. N., et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies. Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).
- Grigorenko, A. N. Negative refractive index in artificial metamaterials. Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).
- Shalaev, V. M., et al. Negative index of refraction in optical metamaterials. Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies. Appl. Phys. Lett. 91, 113118 (2007).
- 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).
- 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).
- 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).
