Summary
Femtosekund-laser direkte skrivning bruges ofte til at oprette tre-dimensionelle (3D) mønstre i polymerer og briller. Men mønster metaller i 3D er fortsat en udfordring. Vi beskriver en fremgangsmåde til fremstilling af sølv nanostrukturer indlejret i en polymermatrix med et femtosekund laser centreret ved 800 nm.
Abstract
Den standard nanofabrikation toolkit omfatter teknikker primært sigter mod at skabe 2D mønstre i dielektriske medier. Oprettelse af metal mønstre på en submikron skala kræver en kombination af nanofabrikation værktøjer og flere væsentlige behandlingstrin. For eksempel skridt til at skabe plane metalkonstruktioner hjælp ultraviolet fotolitografi og elektron-stråle litografi kan omfatte prøve eksponering, prøve udvikling, metalafsætning og metal liftoff. At skabe 3D metalkonstruktioner, sekvensen gentages flere gange. Kompleksiteten og vanskeligheden ved stabling og tilpasse flere lag begrænser praktiske implementeringer af 3D metal strukturering ved hjælp af standard nanofabrikation værktøjer. Femtosekund-laser direkte skrivning har vist sig som en fremtrædende teknik til 3D nanofabrikation. 1,2 Femtosekund lasere bruges ofte til at skabe 3D-mønstre i polymerer og briller. 3-7 imidlertid 3D metal direkte skrivning fortsat en udfordring. Her har vibeskriver en fremgangsmåde til fremstilling af sølv nanostrukturer indlejret i en polymermatrix med et femtosekund laser centreret ved 800 nm. Fremgangsmåden muliggør fremstilling af mønstre ikke er muligt ved anvendelse af andre teknikker, såsom 3D arrays af adskilte sølv voxels. 8 afbrudt 3D metal mønstre er anvendelige til metamaterialer hvor enhedsceller ikke er i kontakt med hinanden, 9 såsom koblet metal dot 10, 11 eller koblede metalstang 12,13 resonatorer. Potentielle applikationer omfatter negative indeks metamaterialer, usynlighed kapper, og perfekte linser.
I femtosekund-laser direkte-skrivning er laseren bølgelængde vælges således, at fotoner ikke lineært absorberes i målet medium. Når laseren impulsvarighed komprimeres til femtosekund tidsskala og strålingen er tæt fokuseret inde i målet, den ekstremt høje intensitet inducerer ulineær absorption. Flere fotoner absorberes samtidigtly til at forårsage elektroniske overgange, som medfører væsentlige ændringer som fokuserede region. Med denne fremgangsmåde kan man danne strukturer i massen af et materiale, snarere end på overfladen.
De fleste arbejder på 3D direkte metal skriftligt har fokuseret på at skabe selvbærende metalkonstruktioner. 14-16 Den her beskrevne metode giver sub-mikrometer sølv strukturer, der ikke behøver at være selvstændig støttes, fordi de er indlejret i en matrix. En doteret polymermatrix fremstilles under anvendelse af en blanding af sølvnitrat (AgNO 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) og vand (H2O). Prøver bliver derefter mønstret ved bestråling med en 11-MHz femtosekund laser frembringer 50-fs pulser. Under bestråling, Fotoreduktion af sølvioner induceret gennem lineær absorption, hvilket skaber et aggregat af sølvnanopartikler i fokusregionen. Brug denne fremgangsmåde skaber vi sølv mønstre indlejret i en dopet PVP matrix. Tilføjelse 3D oversættelse af srigelig udvider mønsterdannelse til tre dimensioner.
Protocol
1. Forberedelse Metal-ion Doteret polymerfilm
- Mål 8 ml vand i et bægerglas.
- Tilsættes 206 mg af PVP i vand. Blandes med magnetomrører eller vortex-blander, indtil opløsningen er klar.
- Tilsættes 210 mg af AgNO 3 til opløsningen. Blandes med magnetomrører eller vortex-blander, indtil opløsningen er klar.
- Coat objektglas med løsning gennem drop støbning.
- Sted objektglas i en ovn indstillet til 100 ° C. Bage prøven i 30 min.
- Fjern prøven fra ovnen og lad afkøle i 30 min.
2. Fremstilling af Afbrudt Silver Structures
- Juster setup afbildet i figur 1 på optisk bord med svingningsdæmpere.
- Justere kompressor for at opnå 50-fsec impulser efter mikroskopobjektiv.
- Juster neutralfiltre at opnå 3-nj pulser efter målet.
- Sikre laser spot størrelse er større end bagsiden blænde af mikroskop mål.
- Indstil akusto-optisk modulator til fremstilling af 10-usek eksponering vinduer, hvor prøven bestråles.
- Blok laserstråle før den når mikroskop og sted prøve på 3-akse translationstrinnet. Strålegangen af femtosekund laserpulser bør passere gennem det billeddannende mikroskopobjektiv og ind i prøven.
- Tænd mikroskop belysningskilden at observere prøven in situ ved hjælp af CCD-kameraet.
- Oversætte z-akse scenen for at finde grænsefladen mellem glas substrat og polymer film. Derefter målrette mikroskop til den ønskede dybde ind polymer til mønsterdannelse nederste lag. Z-translation under mønsterdannelse skal være i retningen bort fra glas-polymer-grænsefladen for at undgå spredning med fabrikerede strukturer.
- Unblock laser-stråle og sæt motion-controller software til at oversætte prøve i x -, y - og z - retninger med hastighed på 100 um / sek. Bestråle enkelt voxels i 10 mikrosekunder ennd separate tilstødende voxels med mindst flere mikrometer for en klar in-situ billeddannelse. Indstilling af akustisk-optisk modulator gentagelse sats på 25 Hz vil producere 4-um afstand. Laser udsatte områder vil indeholde sølv strukturer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Den akustisk-optiske modulator og neutralfiltrene (figur 1) tillader en at kontrollere mængden af energi afsat i prøven. Ved eksponering i 110 pulser pr voxel og 3 nj per impuls, med scenen oversætte på 100 um / sek, de resulterende sølv strukturer er synlige gennem den in-situ optisk mikroskop. Lavere laser eksponeringsniveauer (ved at reducere impuls energi og / eller pulsantal) føre til mindre sølv funktioner. Vi har iagttaget funktioner så lille som 300 nm 8 Det er muligt at skabe sølv strukturer med en bred vifte af puls energier fra mindre end en nanojoule til flere nanojoules. Figur 3 viser 3D-gengivelser af optiske billeder taget af en fabrikeret prøve. Det mønster, der består af en gruppering af prikker på toppen af en anden matrix, er vist fra to synsvinkler. Dataene kan også visualiseres gennem videoer, sekventielle optiske mikroskopi billeder er animeret i videoen artiklen. The thickness af polymermatrixen styres af mængden af opløsning, der anvendes under drop støbeprocessen. En milliliter af opløsningen på en 2,5 cm x 2,5 cm objektglas ca giver en 15 um tyk film.
Højopløsningsbilleder af fabrikerede sølv strukturer kan opnås ved SEM billeddannelse. Figur 4 viser SEM billeder af en prøve bestående af en 2D array af punkter, der er fremstillet direkte på glassubstratet. Vi let få sølv funktioner, der er sub-mikrometer i størrelse.
Figur 1. Laser fabrikation setup. De primære komponenter i vores fremstilling setup omfatter en femtosekund laser, en Faraday isolator, en kompressor, et akustisk-optisk modulator (AOM), en neutral densitet (ND) filter, et mikroskop med kamera, en høj præcision 3-akse translationstrinnet , og en optisk tabel mount ed på svingningsdæmpere. Laseren frembringer 50-fs laserimpulser centreret ved 800 nm med en gentagelseshastighed på 11 MHz. Kompressoren pre-kompenserer for dispersionen i den optiske strålevej for at opnå 50-fs pulser ved prøven. Den AOM-og ND-filter fungerer som en lukker og en attenuator til at styre laseren eksponering af prøven. Vi anvender en 0,8-NA mikroskopobjektiv til samtidigt at fokusere laserstrålen og billedet af prøven under fabrikation. Prøven position styres af en høj-præcision 3-akse translationstrinnet. Hele opsætningen er monteret på et optisk bord med vibrationsisolering.
Figur 2. Samlet skematisk af forsøget. En prøve fremstilles ved at belægge et objektglas med en blanding af PVP, AgNO 3 og H 2 O. Når prøven fremstilles, mønsterdannelse er en enkelt proces.
Figur 3. 3D rendered billeder af en sølv dot matrix inde i en matrix. (A) 2-lags matrix på 18 prikker sølv skabt inde i en matrix. For overskuelighedens skyld er de to lag af prikker repræsenteret i forskellige farver. Gengivelsen blev skabt ved at stable sekventielle optisk mikroskopi billeder. (B) En anden visning af 3D array.
Figur 4. Høj opløsning SEM billeder af et mønstret prøve. Sølv prikker oprettet på glas / polymer-grænsefladen til at tillade SEM billeddannelse. Polymermatricen fjernes efter fremstillingen for at undgå yderligere sølv drevet af elektronstrålen. 8 (a) Billede af en 2D matrix af sølv prikker på et glassubstrat. A) Nærbillede af sølv prikker fra en 61 ° hældningvinkel.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nøglen til processen er at opnå en doteret dielektrisk matrix, der tillader høj opløsning fabrikation, men ikke nedbrydes hurtigt efter fremstilling. En simpel blanding af PVP, AgNO 3 og H2O tillader skabelse af høj opløsning sølv nanostrukturer, der er indlejret i en bærematrix. Variation af PVP til AgNO 3 forholdet vil ændre laserenergien er nødvendig til fremstilling og potentielt andre egenskaber, såsom funktion opløsning. Et lavt forhold fører til hurtigere nedbrydning af det dielektriske matrix og et højt forhold fører til meget lave mængder sølv i færdig funktioner.
Den minimale laser pletstørrelse-der afhænger af bølgelængde, laserstråle tilstand parameter, og mikroskopobjektiv numerisk åbning (NA)-er 900 nm for vores system. Den ulineære karakter lys-stof vekselvirkninger kan føre til sølv funktioner, der er mindre end dette spot størrelse. Vi har påvist 300 nm sølv funktioner usynge vores optiske opstilling. 8 Målet anvendt ved dette forsøg har en NA på 0,8 og en arbejdsafstand på 3 mm, hvilket giver mulighed for at mønster tykke 3D prøver. Stærkere fokusering-en NA på 1,4 er typisk for femtosekund laser mønsterdannelse teknikker, ville føre til en meget mindre laser pletstørrelse med afvejning af en kortere arbejdsafstand.
Resolutionen af teknikken kunne øges med stærkere fokus optik og potentielt ved at ændre kemi. I den modsatte retning, kan større funktioner let skabes ved at øge laserenergi og bestrålingstid. Specifikke former, såsom korte linjer, kan opnås ved at skanne laseren kontinuerligt over en afstand. Fremtidige anvendelser af teknikken kan omfatte negative indeks metamaterialer, usynlighed kapper, og perfekte linser til optiske og infrarøde bølgelængdeområde regimer. 9 Disse applikationer vil afhænge kraftigt af de optiske egenskaber af silver nanostrukturer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklæret.
Acknowledgments
Vi anerkender Paul JL Webster for 3D rendering af optiske data med Amira. Phil Muñoz og Benjamin Franta gav feedback på manuskriptet hele dets udvikling. Forskningen er beskrevet i dette papir blev støttet af Air Force Kontoret for Videnskabelig Forskning under tilskud FA9550-09-1-0546 og FA9550-10-1-0402.
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).
