Summary
飞秒激光直写聚合物和眼镜，经常被用来创建三维（3D）模式。然而，图案3D金属仍然是一个挑战。我们描述了一种用于制造嵌入使用飞秒激光在800 nm附近的聚合物基质内的银纳米结构的方法。
Abstract
标准的纳米加工工具包包括在创建2D模式在电介质主要目的的技术。创建一个亚微米尺度上的金属图案需要结合纳米加工工具和一些材料的加工步骤。例如，步骤来创建使用紫外线光刻技术和电子束光刻的平面金属结构包括样品曝光，样品开发，金属沉积，金属升空。要创建3D的金属结构，该序列被重复多次。多层堆叠和调整的复杂性和难度限制实际实现的3D金属结构，使用标准的纳米加工工具。成为一个卓越的3D纳米加工技术飞秒激光直写。1,2飞秒激光器经常被用来创建聚合物和眼镜的3D模式。3-7然而，3D金属直接书写仍然是一个挑战。在这里，我们描述了一个嵌入在聚合物基体中使用飞秒激光为800 nm的银纳米结构的方法来制作。的方法，使制造的图案不可行使用其他技术，如断开银的体素的三维阵列。8断开连接的三维金属图案是有用的超材料，其中单元电池不彼此接触，9，如耦合金属点10， 11或是耦合金属棒12,13谐振器。潜在应用包括负折射率超材料，隐形斗篷，以及完美的镜头。
以飞秒激光直写，激光波长选择使得光子不是线性目标介质中吸收。当激光脉冲的持续时间被压缩到飞秒时间尺度和目标内部的辐射被紧密聚焦，极高的强度引起非线性吸收。多光子吸收的同时LY引起，导致重大修改的重点区域内的电子跃迁。使用这种方法，可以在大量的材料，而不是在其表面上形成的结构。
大多数三维金属直接写入的工作已集中在创建自支撑的金属结构。14-16所述的方法，这里产生亚微米银结构，并不需要是自支持的，因为它们嵌入一个矩阵内。甲掺杂的聚合物基质中制备使用的混合物中的硝酸银（AgNO 3的 ），聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和水（H 2 O）。的样品，然后由生产50-fs的脉冲11-MHz的飞秒激光照射而形成图案。在照射下，银离子的光还原通过非线性吸收诱导，建立一个总的银纳米粒子的焦点地区。使用这种方法，我们创建了一个掺杂PVP矩阵的嵌入在银色图案。添加3D平移的s充足的图案形成延伸到三维。
Protocol
1。准备金属离子掺杂聚合物薄膜
- 测量8毫升水的烧杯中。
- 添加206毫克PVP水。使用磁力搅拌器或旋涡混合器混合，直到溶液澄清为止。
- 添加210毫克的AgNO 3的解决方案。混合使用磁力搅拌器或涡旋混合器，直到溶液清澈。
- 涂层的载玻片上溶液通过滴铸。
- 地点载玻片上，在100℃的烘箱中集30分钟烘焙样本。
- 从烤箱中取出样品，放凉30分钟。
2。断开连接的银结构的制作
- 图1中所示的设置与振动隔离器的光学表上对齐。
- 调整压缩机，到获得50 FSEC的脉冲后显微镜的物镜。
- 调整中性密度过滤器的目标后，得到3 - 毫微脉冲。
- 确保激光光斑大小是大于回光圈的显微镜物镜。
- 设置声光调制器产生的10微秒的曝光窗口，在此期间，样品被照射。
- 块激光束到达之前的显微镜和地方样本到3轴平移阶段。飞秒激光脉冲的光束路径应该传递通过成像显微镜物镜和进入样品。
- 打开显微镜照明源，观察样品在原位使用CCD相机。
- 翻译阶段的z轴，找到玻璃基板和聚合物膜之间的界面。然后，再聚焦显微镜内的聚合物到所需的深度，对于用于图案化最底层的 Z-平移期间构图必须是离开的方向从玻璃聚合物接口与制造的结构，以避免散射。
- 不阻止激光束和集运动控制器软件翻译样品在 x - ，γ - 和 z -方向速度为100μm/秒。照射10微秒一个单一的体素第二独立的相邻像素至少几微米明确的原位成像。声 - 光调制器的重复率设置到25赫兹，会产生4-μm的间距。激光照射区含银的结构。
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Representative Results
声-光调制器和中性密度过滤器（ 图1）允许一个控制沉积到样品中的能量的量。使用的110的每个体素和3毫微每脉冲的脉冲的曝光，与阶段翻译在100微米/秒，所得的银结构是很容易通过原位光学显微镜可见。较低的激光暴露水平（通过减少脉冲能量和/或脉冲数），导致更小的银功能;我们已观察到尽可能小为300nm的功能。8可以创建使用范围广泛的脉冲能量从不到一银结构nanojoule几纳焦。 图3显示了3D效果图的制作样品的光学图像。示出的图案，另一个数组上的点组成的一个数组，从两个角度。数据也可以通过视频显示，连续的光学显微镜图像的动画视频文章。本氏控制通过下拉铸造工艺过程中使用的溶液量的聚合物基质ckness的。一毫升的溶液约2.5厘米×2.5厘米载玻片上产生的15-μm厚的薄膜。
制得银结构的高分辨率图片可以通过SEM成像得到图4示出了直接在玻璃基板上制作的一个二维数组的点组成的样品的SEM图像。我们很容易地获得亚微米大小的银功能。
图1。激光加工安装。我们的制造设置的主要组件包括的飞秒激光，法拉第隔离器，一个压缩机，一个声 - 光调制器（AOM），中性密度（ND）滤光片，带摄像头的显微镜，一个高精度的3轴平移台，和一个光学平台装载上振动隔离。激光产生50-fs的为800 nm的激光脉冲的重复率，11 MHz的。该压缩机预补偿的光束路径中的色散，在样品中，得到50-fs的脉冲。 AOM和ND过滤器的功能，作为一个快门和一个衰减器控制的样品的激光曝光。我们使用了0.8-NA显微镜物镜，同时将激光束聚焦和图像的样品在制造过程中。样本位置的控制由一个高精度的3轴平移台上。的整个设置被安装在光学平台上与振动隔离。
图2的实验的整体示意图。将试样通过涂布制备与PVP，AgNO 3的 ，和H 2 O的混合物的玻璃滑动一旦样品制备，构图是一个单步的过程。
图3。3D渲染的图像矩阵内的银点阵列。 （a）2个层18银内创建一个矩阵点阵列。为了清楚起见，两个层的点是用不同的颜色表示。是由堆叠顺序的光学显微镜图像的渲染。 （b）在不同的视图的三维数组。
图4。高分辨率的图案化的样品的SEM图像。银点是在创建玻璃/聚合物界面，允许SEM成像。除去聚合物基质的制作后，以避免额外的银增长，由电子束的驱动， 图8（a）的图像在玻璃基板上的银点一个二维数组。 A）关闭银点从61°倾斜角。
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Discussion
的关键的过程中获得的掺杂介质允许高分辨率制造的矩阵，但不降解制备后不久。一个简单的混合物，PVP，AgNO 3和H 2 O允许创建高分辨率的银纳米结构内支持矩阵中嵌入。变的PVP AgNO 3的比率，将改变制造所需的激光的能量，和潜在的其它性能如特征分辨率。低比率导致的绝缘介质基体的加速降解，和高比率导致非常低量的银在制作功能。
的最小激光光斑尺寸，这取决于波长，激光束模式的参数，和显微镜物镜的数值孔径（NA）为900 nm的我们的系统。的非线性性质的光与物质的相互作用可以导致银功能是小于这个光斑尺寸。我们已经展示了300纳米银功能ü唱我们的光学设置。8在本实验中所使用的目标的NA为0.8，工作距离为3毫米，允许的电位图案厚的三维样品。更强的聚焦的NA为1.4是典型的飞秒激光图案形成技术将导致一个更小的激光光斑尺寸与更短的工作距离的权衡。
具有较强的聚焦光学系统的分辨率的技术可以增加，有可能通过修改的化学反应。在相反的方向，可以容易地创建较大的特点，通过增加激光能量和照射时间。如短的线，具体的形状，可以通过以下方式获得的距离连续地扫描激光。该技术未来的应用可能包括负折射率超材料，隐形斗篷，以及完美的镜头的光学和红外波长制度。9这些应用程序将在很大程度上依赖于南港岛线的光学特性版本的纳米结构。
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Disclosures
没有利益冲突的声明。
Acknowledgments
我们承认保罗JL韦伯斯特的3D渲染光学数据阿米拉。菲尔·穆尼奥斯和本杰明福兰特提供反馈的手稿上，在其整个的发展。本文中所描述的研究由空军科研办公室根据补助FA9550-09-1-0546 FA9550-10-1-0402。
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