Summary
Femtoseconde-laser direct-writing wordt vaak gebruikt om drie-dimensionale (3D) patronen te creëren in polymeren en glazen. Echter, patronen metalen in 3D blijft een uitdaging. We beschrijven een werkwijze voor het vervaardigen zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm.
Abstract
De standaard nanofabricage toolkit bevat technieken in de eerste plaats gericht zijn op het creëren van 2D patronen in diëlektrische media. Het maken van metalen patronen op een submicron schaal vereist een combinatie van nanofabricage gereedschappen en diverse materialen processtappen. Bijvoorbeeld, op een steenworp te creëren vlakke metalen structuren met behulp van ultraviolet fotolithografie en electron-beam lithografie kan monster blootstelling, steekproef ontwikkeling, metaalafzetting, en metalen lancering op te nemen. Om 3D-metalen structuren te creëren, wordt de volgorde meerdere malen herhaald. De complexiteit en de moeilijkheidsgraad van het stapelen en het afstemmen van meerdere lagen beperkt praktische implementaties van 3D-metalen structureren met behulp van standaard nanofabricage gereedschap. Femtoseconde-laser direct-writing heeft zich ontpopt als een bij uitstek techniek voor 3D-nanofabricage. 1,2 Femtoseconde lasers worden vaak gebruikt om 3D-patronen in polymeren en glazen te creëren. Drie-zeven echter 3D metaal met directe schrijven blijft een uitdaging. Hier, webeschrijven een methode om zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm fabriceren. De werkwijze maakt het vervaardigen van patronen niet mogelijk met andere technieken, zoals 3D arrays van losse zilver voxels. 8 Disconnected 3D metaalpatronen bruikbaar voor metamaterials wanneer eenheidscellen niet in contact met elkaar, 9 zoals gekoppelde metalen dot 10, 11 of gekoppelde metalen staaf 12,13 resonatoren. Mogelijke toepassingen zijn negatieve index metamaterialen, onzichtbaarheidsmantels, en een perfecte lenzen.
In femtoseconde-laser direct schrijven, wordt de lasergolflengte gekozen dat fotonen lineair niet geabsorbeerd in het doelmedium. Wanneer de laser pulsduur wordt gecomprimeerd tot de femtoseconde tijdschaal en de straling strak gericht in het doel, de extreem hoge intensiteit induceert lineaire absorptie. Fotonen worden geabsorbeerd gelijktijdigely tot elektronische overgangen die leiden tot materiële wijzigingen in het gericht regio veroorzaken. Met deze aanpak kan men vormen structuren in de bulk van een materiaal in plaats van op het oppervlak.
Het meeste werk op 3D directe metalen schrijven is gericht op het creëren zelfdragende metalen constructies. Veertien-zestien De hier beschreven methode levert sub-micrometer zilver structuren die niet hoeven te worden zelf ondersteund, omdat ze zijn ingebed in een matrix. Een gedoteerde polymeermatrix wordt bereid met een mengsel van zilvernitraat (AgNO 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) en water (H2O). Monsters worden vervolgens patroon door bestraling met een 11-MHz femtosecondelaser die 50-fs pulsen. Tijdens de bestraling wordt fotoreductie van zilver-ionen opgewekt door middel van niet-lineaire absorptie, het creëren van een totaal van zilveren nanodeeltjes in het brandpunt regio. Met behulp van deze aanpak creëren we zilver patronen ingebed in een gedoteerde PVP-matrix. Toevoegen van 3D vertaling van de svoldoende breidt de patroon naar drie dimensies.
Protocol
1. Voorbereiden Metal-ion Doped polymeerfilm
- Meet 8 ml water in een bekerglas.
- Voeg 206 mg PVP aan water. Meng met behulp van magnetische roerder of vortex mixer tot de oplossing helder is.
- Voeg 210 mg van AgNO 3 tot oplossing. Meng met behulp van magnetische roerder of vortex mixer tot oplossing helder is.
- Coat glasplaatje met oplossing door daling gieten.
- Glasplaatje plaats in een oven op 100 ° C. Bak monster gedurende 30 minuten.
- Verwijder monster uit de oven en laat afkoelen gedurende 30 minuten.
2. Fabricage van Disconnected Silver Structures
- Lijn setup afgebeeld in figuur 1 op optische tafel met trillingsdempers.
- Stel de compressor tot 50-FSEC pulsen te verkrijgen na microscoop doelstelling.
- Pas neutrale dichtheid filters om 3-nJ pulsen te verkrijgen na de doelstelling.
- Zorg ervoor dat laserspot groter is dan terug diafragma van microscoop doelstelling.
- Stel acousto-optische modulator 10 psec belichtingsvensters waarin het monster wordt bestraald produceren.
- Blokkeren laserstraal voordat zij tot de microscoop en de plaats monster op 3-assige vertaling podium. De stralengang van de femtoseconde laserpulsen moet door het imaging microscoopobjectief en in het monster.
- Schakel microscoop verlichtingsbron het monster nemen in-situ met CCD camera.
- Vertalen z-as van stadium grensvlak tussen glassubstraat en polymeerfilm vinden. Vervolgens heroriënteren microscoop om de gewenste diepte in polymeer voor patroonvorming onderste laag. Z-translatie tijdens de patroonvorming moeten in de richting van de glas-polymeer interface verstrooiing vermijden met gefabriceerde structuren.
- Deblokkeren laserstraal en set motion-controller software om monster te vertalen in x -, y - en z - richtingen met een snelheid van 100 micrometer / sec. Bestralen enkele voxels voor 10 usec eennd afzonderlijke naburige voxels met ten minste enkele micrometers voor duidelijke in-situ imaging. Waarin acousto-optische modulator herhalingssnelheid tot 25 Hz zal produceren 4-um afstand. Laser blootgestelde gebieden bevat zilver structuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De acousto-optische modulator en grijsfilters (figuur 1) doen vrezen hoeveelheid energie gestort in de sample. Met een blootstelling van 110 pulsen per voxel en 3 nJ per puls van fase vertalen van 100 um / sec, de resulterende zilver structuren gemakkelijk zichtbaar door de in-situ optische microscoop. Lagere laser blootstellingsniveaus (vermindering pulsenergie en / of aantal impulsen) leiden tot kleinere zilveren kenmerken;. We hebben waargenomen functies zo klein als 300 nm 8 Het is mogelijk om zilver structuren met een groot aantal puls energie van minder dan een nanojoule verschillende nanojoules. Figuur 3 toont 3D-renderings van optische beelden genomen van een verzonnen monster. Het patroon bestaat uit een reeks punten op elkaar array, wordt vanuit twee gezichtspunten. De gegevens kunnen ook worden gevisualiseerd door middel van video's, sequentiële optische microscopie beelden worden geanimeerd in de video artikel. De thickness van de polymeermatrix wordt geregeld door de hoeveelheid oplossing tijdens de daling gietproces. Een milliliter oplossing op een 2,5 cm x 2,5 cm glasplaatje levert ongeveer 15 pm dikke film.
Hoge-resolutie beelden van zilver vervaardigd structuren kan worden verkregen door SEM beeldvorming. Figuur 4 toont SEM beelden van een steekproef van een 2D reeks punten die worden gefabriceerd direct op het glazen substraat. We gemakkelijk te verkrijgen zilver functies die sub-micrometer groot zijn.
Figuur 1. Laser fabricage setup. De primaire componenten van onze fabricage setup omvatten een femtosecondelaser, een Faraday isolator, een compressor, een akoestisch-optische modulator (AOM), een neutrale dichtheid (ND) filter, een microscoop met camera, een hoge precisie 3-assige translatietafel , en een optische tafel mount ed op trillingsdempers. De laser produceert 50-fs laserpulsen gecentreerd bij 800 nm met een herhalingsfrequentie van 11 MHz. De compressor pre-compenseert de dispersie in de optische stralengang to 50-fs pulsen te verkrijgen op het monster. De AOM en ND filter fungeren als een sluiter en een verzwakker de laserbelichting van de sample. We gebruiken een 0,8 NA microscoopobjectief gelijktijdig concentreren de laserbundel en beeld het monster tijdens de fabricage. Het monster wordt gelimiteerd door een hoge precisie 3-assig translatietafel. De gehele installatie is gemonteerd op een optische tafel trillingsisolatie.
Figuur 2. Algemeen schema van het experiment. Een monster wordt bereid door het bekleden van een objectglaasje met een mengsel van PVP, AgNO 3 en H 2 O. Nadat het monster wordt bereid, is een patroon stappen.
Figuur 3. 3D gerenderde beelden van een zilveren puntmatrix in een matrix. (A) 2-laags reeks 18 zilveren dots gemaakt in een matrix. Voor de duidelijkheid zijn de twee lagen van punten in verschillende kleuren weergegeven. De rendering is gemaakt door het stapelen van opeenvolgende optische microscopie beelden. (B) Een andere kijk op de 3D-array.
Figuur 4. Hoge resolutie SEM beelden van een patroon monster. Zilver dots worden gecreëerd op het glas / polymeer interface waarmee SEM beeldvorming. De polymeermatrix wordt verwijderd na fabricage aanvullende zilver groei door de elektronenbundel te voorkomen. 8 (a) Afbeelding van een 2D-array van zilver dots op een glazen substraat. A) Close-up van zilveren stippen van een 61 ° hoekhoek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De sleutel tot het verkrijgen van een proces gedoteerde diëlektrische matrix die hoge resolutie fabricage mogelijk, maar niet snel afgebroken na bereiding. Een eenvoudige mengsel van PVP, AgNO 3 en H 2 O maakt het mogelijk een hoge resolutie zilver nanostructuren die zijn ingebed in een ondersteunende matrix. Het variëren van de PVP bij AgNO 3 ratio verandert de laser benodigde energie voor fabricage, en mogelijk andere eigenschappen zoals feature resolutie. Een laag ratio leidt tot snellere degradatie van de diëlektrische matrix, en een hoge verhouding tot zeer lage hoeveelheden zilver in features vervaardigd.
De minimale laser spot size-die afhangt van de golflengte, laserstraal mode parameter en microscoopobjectief numerieke apertuur (NA)-is 900 nm voor ons systeem. De niet-lineaire aard van het licht materiaal interacties kunnen leiden tot zilver functies die kleiner zijn dan deze vlekgrootte. We hebben aangetoond 300-nm zilver functies uzingen onze optische opstelling. 8 Het doel in dit experiment heeft een NA van 0,8 en de afstand van 3 mm, waardoor het potentieel patroon dik 3D monsters. Sterkere scherpstelpunten een NA van 1,4 typisch voor femtosecondelaser patronen technieken, zou leiden tot een veel kleinere laser vlekgrootte de afweging van een kortere werkafstand.
De resolutie van de techniek kan worden verhoogd met sterkere focusserende optiek en mogelijk door aanpassing van de chemie. In de andere richting kan groter functies gemakkelijk worden bewerkstelligd door laserenergie en bestralingstijd. Specifieke vormen, zoals korte lijnen, kan worden verkregen door het scannen van de laser continu over een afstand. Toekomstige toepassingen van de techniek kan negatieve index metamaterialen, onzichtbaarheidsmantels, en perfecte lenzen voor de optische en infrarode golflengte regimes. 9 Deze toepassingen zullen sterk afhangen van de optische eigenschappen van de silver nanostructuren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Geen belangenconflicten verklaard.
Acknowledgments
Wij erkennen Paul JL Webster voor de 3D-weergave van optische gegevens met Amira. Phil Muñoz en Benjamin Franta die feedback op het manuscript in hun ontwikkeling. Het onderzoek beschreven in dit document werd ondersteund door de luchtmacht van het Wetenschappelijk Onderzoek in subsidies FA9550-09-1-0546 en FA9550-10-1-0402.
References
- von Freymann, G., et al.
- LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A.
- 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).
