Summary
كثيرا ما يستخدم ليزر الفيمتو ثانية مباشرة الكتابة لخلق ثلاثية الأبعاد (3D) في أنماط البوليمرات والنظارات. ومع ذلك، والمعادن الزخرفة في 3D لا يزال يشكل تحديا. وصفنا طريقة لافتعال النانو الفضية جزءا لا يتجزأ من داخل البوليمر باستخدام ليزر الفيمتو ثانية تمحورت في 800 نانومتر.
Abstract
مجموعة الأدوات القياسية تشمل تقنيات nanofabrication تهدف في المقام الأول إلى خلق أنماط 2D في وسائل الإعلام عازلة. إنشاء أنماط معدنية على نطاق وsubmicron يتطلب مجموعة من الأدوات وnanofabrication عدة خطوات تجهيز المواد. على سبيل المثال، الخطوات لإنشاء الهياكل المعدنية باستخدام ضوئيه مستو فوق البنفسجية والطباعة الحجرية شعاع الإلكترون يمكن أن تشمل التعرض العينة، عينة التنمية، ترسب المعادن، والمعادن الاقلاع. لإنشاء هياكل معدنية 3D، يتم تكرار تسلسل عدة مرات. تعقد وصعوبة التوفيق بين التراص وطبقات متعددة يحد تطبيقات العملية لهيكلة معدنية 3D باستخدام أدوات nanofabrication القياسية. وقد برزت الفيمتو ثانية ليزر مباشرة الكتابة كأسلوب البارز لnanofabrication 3D. وكثيرا ما تستخدم أشعة الليزر الفيمتو ثانية 1،2 لخلق أنماط 3D في البوليمرات والنظارات. 3-7 ومع ذلك، 3D المعادن مباشرة الكتابة لا يزال يشكل تحديا. هنا، ونحنوصف طريقة لافتعال النانو الفضية جزءا لا يتجزأ من داخل البوليمر باستخدام ليزر الفيمتو ثانية تمحورت في 800 نانومتر. طريقة تمكن من تصنيع أنماط غير ممكن باستخدام تقنيات أخرى، مثل صفائف 3D من الفضة voxels قطع .. 8 أنماط قطع معدنية 3D مفيدة لخلايا يتعلق بما وارء حيث وحدة ليست على اتصال مع بعضهم البعض، 9 يقترن مثل المعادن نقطة 10، 11 أو يقترن المعادن قضيب 12،13 مرنانات. وتشمل التطبيقات المحتملة يتعلق بما وارء مؤشر سلبي، عباءات الخفي، والعدسات الكمال.
في الكتابة مباشرة الفيمتو ثانية ليزر، يتم اختيار الطول الموجي الليزر لا يمتص الفوتونات بحيث خطيا على المدى المتوسط الهدف. عندما يتم ضغط مدة نبضة ليزر الفيمتو ثانية إلى النطاق الزمني وتركز بإحكام الإشعاع داخل الهدف، كثافة عالية للغاية الحث امتصاص غير الخطية. يتم امتصاص الفوتونات متعددة في وقت واحدلي أن يسبب التحولات الإلكترونية التي تؤدي إلى تعديل المواد داخل المنطقة تركيزا. باستخدام هذا النهج، يمكن للمرء أن تشكيل هياكل في الجزء الأكبر من مادة وليس على سطحه.
وقد ركزت معظم العمل على 3D الكتابة المعادن مباشر على إنشاء هياكل معدنية النفس التي تدعمها. 14-16 الطريقة الموضحة هنا ينتج الهياكل الفرعية ميكرون الفضة التي لا تحتاج إلى أن تكون النفس التي تدعمها لأن تضمهم داخل المصفوفة. ويتم إعداد مصفوفة البوليمر مخدر باستخدام مزيج من نترات الفضة (AGNO 3)، polyvinylpyrrolidone (PVP) والماء (H 2 O). ثم يتم منقوشة عينات من أشعة الليزر الفيمتو ثانية مع 11-50-ميغاهيرتز إنتاج البقول FS. خلال التشعيع، والتي يسببها اختزال ضوئي الإحداث من خلال امتصاص أيونات الفضة غير الخطية، وخلق إجمالي الفضة النانوية في المنطقة المركزية. باستخدام هذا النهج الذي خلق أنماط الفضة جزءا لا يتجزأ من مصفوفة PVP مخدر. مضيفا ترجمة 3D من لياليوافرة تمتد إلى ثلاثة أبعاد الزخرفة.
Protocol
1. إعداد المعدنية أيون بوليمر فيلم مخدر
- قياس 8 مل من الماء في دورق.
- إضافة 206 ملغ من PVP في الماء. خلط باستخدام خلاط مغناطيسي أو حتى دوامة الحل واضح.
- إضافة ملغ 210 من AGNO 3 إلى الحل. خلط باستخدام خلاط مغناطيسي أو حتى دوامة الحل واضح.
- معطف شريحة زجاجية مع حل من خلال صب قطرة.
- مكان شريحة زجاجية في مجموعة الفرن على 100 درجة مئوية. خبز عينة لمدة 30 دقيقة.
- إزالة عينة من الفرن والسماح لتبرد لمدة 30 دقيقة.
2. تصنيع الهياكل فضة قطع
- محاذاة الإعداد هو مبين في الشكل (1) على طاولة الضوئية مع العوازل الاهتزاز.
- ضبط ضاغط للحصول على 50-fsec البقول بعد الهدف المجهر.
- ضبط مرشحات الكثافة محايدة للحصول على 3-NJ البقول بعد الهدف.
- ضمان ليزر حجم البقعة أكبر من الفتحة الخلفي من الهدف المجهر.
- تعيين صوتية الضوئية المغير لإنتاج النوافذ التعرض 10-μsec خلالها المشع العينة.
- كتلة شعاع الليزر قبل أن تصل إلى عينة المجهر ومكان على المحور 3-المرحلة الترجمة. يجب أن يحتوي مسار شعاع من نبضات الليزر الفيمتو ثانية تمر من خلال المجهر والتصوير الهدف في العينة.
- مصدر الإضاءة تشغيل المجهر لمراقبة عينة في الموقع باستخدام كاميرا CCD.
- ترجمة Z-محور المرحلة لإيجاد التفاعل بين الركيزة الزجاج وفيلم البوليمر. ثم، إعادة تركيز المجهر على العمق المطلوب داخل الطبقة السفلية للبوليمر في أقصى الزخرفة. Z-ترجمة خلال الزخرفة يجب أن يكون في الاتجاه بعيدا عن واجهة زجاجية لتفادي تشتت البوليمر مع الهياكل ملفقة.
- الافراج عن شعاع الليزر ومجموعة برامج الحركة وحدة تحكم لترجمة عينة في العاشر -، ص - ض و- الاتجاهات مع سرعة 100 ميكرون / ثانية. أشرق voxels واحد لمدة 10 لμsecvoxels الثانية المجاورة منفصلة على الأقل ميكرومتر عدة للتصوير في الموقع واضحة. ووضع صوتية الضوئية المغير معدل الرسوب هرتز إلى 25 ميكرون إنتاج 4-التباعد. وستشمل مجالات الليزر يتعرض تحتوي على هياكل الفضة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
والمغير صوتية الضوئية والمرشحات الكثافة المحايدة (الشكل 1) تسمح لأحد السيطرة على كمية الطاقة المودعة في العينة. باستخدام التعرض من 110 نبضة في فوكسل و 3 NJ في النبض، مع مرحلة ترجمة في 100 ميكرون / ثانية، وهياكل الفضة الناتجة مرئية بسهولة من خلال المجهر الضوئي في الموقع. انخفاض مستويات التعرض ليزر (عن طريق تخفيض الطاقة النبض و / أو عدد النبض) تؤدي إلى ميزات أصغر فضية،. لاحظنا ميزات صغيرة مثل 300 نانومتر 8 فمن الممكن لخلق هياكل الفضة باستخدام مجموعة واسعة من الطاقات نبض من أقل من واحد الشكل nanojoule لnanojoules عدة. 3 يبين الأداءات 3D من الصور البصرية التي اتخذت لعينة ملفقة. ويظهر نمط، تتألف من مجموعة من النقاط على قمة مجموعة أخرى، من زاويتين. يمكن أن تكون البيانات أيضا تصور من خلال أشرطة الفيديو، ويتم تحريك الصور متتابعة المجهر الضوئي في المادة الفيديو. وثييتم التحكم ckness من البوليمر بمقدار حل استخدمت خلال عملية الصب انخفاضا. واحد ملليلتر من الحل على 2.5 سم × 2.5 سم تقريبا شريحة زجاجية ينتج فيلم 15-ميكرومتر سميكة.
ويمكن الحصول على صور عالية الدقة من خلال هياكل الفضة ملفقة التصوير SEM. ويبين الشكل 4 SEM الصور لعينة تتكون من مجموعة من النقاط التي 2D هي ملفقة مباشرة على الركيزة الزجاج. نحصل على الميزات بسهولة الفضة التي هي شبه ميكرومتر في الحجم.
الشكل 1. ليزر الإعداد تلفيق. المكونات الأساسية للتصنيع الإعداد لدينا وتشمل ليزر الفيمتو ثانية، عازل فاراداي، ضاغط، المغير صوتية البصرية (AOM)، محايد الكثافة فلتر (ND)، المجهر مع الكاميرا، وعالية الدقة 3-المحور مرحلة الترجمة ، وجبل الطاولة البصرية إد على العوازل الاهتزاز. ليزر تنتج نبضات الليزر 50-FS تركزت في 800 نانومتر مع معدل تكرار من 11 ميغاهرتز. الضاغط قبل يعوض عن التشتت في مسار الشعاع الضوئي للحصول على 50-FS البقول في العينة. وAOM وظيفة مرشح ND كما مصراع والمخفف لللسيطرة على التعرض ليزر من العينة. نستخدم المجهر الهدف 0.8 NA في وقت واحد للتركيز شعاع الليزر وصورة العينة خلال تلفيق. يتم التحكم في موقف عينة من دقة عالية-3-المحور مرحلة الترجمة. هي التي شنت الإعداد بالكامل على جدول البصرية مع العزلة الاهتزاز.
الشكل 2. التخطيطي الإجمالي للتجربة. ويتم إعداد عينة من الطلاء شريحة زجاجية مع خليط من PVP، AGNO 3، وH 2 O. بعد الانتهاء من إعداد العينة، هو عملية تنميط خطوة واحدة.
الشكل 3. تقديم 3D صورا لمجموعة الفضة دوت داخل المصفوفة. (أ) 2-طبقة مجموعة من النقاط الفضة 18 إنشاؤها داخل المصفوفة. من أجل الوضوح، يتم تمثيل طبقتين من النقاط في ألوان مختلفة. تم إنشاء التراص من تقديم الصور متتابعة المجهر الضوئي. (ب) رأي مختلف من مجموعة 3D.
الشكل 4. عالية الدقة صور SEM لعينة منقوشة. يتم إنشاء نقاط الفضية في واجهة الزجاج / البوليمر للسماح SEM التصوير. تتم إزالة البوليمر بعد التصنيع لتجنب نمو إضافية الفضة مدفوعا شعاع الالكترون. 8 (أ) صورة من مجموعة من النقاط 2D الفضة على ركيزة زجاجية. A) عن قرب عرض من النقاط الفضة من 61 ° الخيمةزاوية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
المفتاح لعملية الحصول على مصفوفة وعازلة تسمح مخدر عالية تلفيق القرار، ولكن لا تتحلل بعد فترة وجيزة إعداد. مزيج بسيط من PVP، AGNO 3 و O 2 H يسمح بإنشاء النانو الفضية عالية الدقة المضمنة داخل مصفوفة الدعم. وتراوح نسبة 3 إلى PVP AGNO تغيير طاقة الليزر اللازمة لتصنيع وخصائص أخرى محتملة مثل قرار الميزة. A نسبة منخفضة يؤدي إلى تدهور أسرع من المصفوفة عازلة، ونسبة عالية يؤدي إلى كميات قليلة جدا من الفضة في ملامح ملفقة.
بقعة الليزر الحد الأدنى الحجم التي تعتمد على الطول الموجي، ليزر شعاع وضع المعلمة، والمجهر الفتحة العددية الهدف (NA)-هو 900 نانومتر لنظامنا. يمكن للطبيعة غير الخطية للتفاعلات ضوئية الأمر يؤدي إلى ميزات الفضة التي تكون أصغر من هذا الحجم الفور. لقد أثبتنا 300-U نانومتر الفضة الميزاتالغناء الإعداد لدينا الضوئية .. 8 والهدف المستخدمة في هذه التجربة لديه من NA 0.8 و تعمل على مسافة 3 مم، مما يتيح القدرة على عينات نمط 3D سميكة. أقوى تركز على NA-قدره 1.4 هو الحال بالنسبة لليزر الفيمتو ثانية الزخرفة التقنيات من شأنه أن يؤدي إلى حجم بقعة الليزر أقل بكثير من المقايضة مع مسافة أقصر العمل.
ويمكن زيادة هذا القرار من أقوى تقنية البصريات مع التركيز، وربما عن طريق تعديل الكيمياء. في الاتجاه المعاكس، يمكن بسهولة إنشاء أكبر الميزات من خلال زيادة طاقة الليزر وأشعة الوقت. ويمكن الحصول على أشكال محددة، مثل خطوط قصيرة، عن طريق المسح الضوئي ليزر مستمر على مدى بعيد. قد التطبيقات المستقبلية لهذه التقنية تشمل يتعلق بما وارء مؤشر سلبي، عباءات الخفي وعدسات مثالية للأنظمة البصرية الطول الموجي والأشعة تحت الحمراء 9 هذه التطبيقات تعتمد بشدة على الخواص الضوئية للسيلالنسخة النانو.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
نعترف بول وبستر JL لتقديم 3D من البيانات البصرية مع أميرة. قدم فيل مونيوز وFranta بنيامين تعليقات على المخطوط في جميع أنحاء تنميتها. وأيد هذا البحث وصفها في هذه الورقة من قبل مكتب القوات الجوية للبحث العلمي تحت بند المنح FA9550-09-1-0546 وFA9550-10-1-0402.
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).
