Une méthode pour fabriquer des nanostructures d'argent déconnectés en 3D

Summary

Femtoseconde laser écriture directe est souvent utilisé pour créer en trois dimensions (3D) des modèles dans des polymères et des verres. Cependant, les métaux modelage en 3D reste un défi. Nous décrivons une méthode pour fabriquer des nanostructures d'argent intégrés dans une matrice polymère à l'aide d'un laser femtoseconde centré à 800 nm.

Abstract

La boîte à outils comprend des techniques de nanofabrication norme visant principalement à créer des patrons 2D dans les milieux diélectriques. Création de motifs métalliques sur une échelle submicronique nécessite une combinaison d'outils de nanofabrication et plusieurs étapes de traitement des matériaux. Par exemple, des mesures pour créer des structures métalliques planes en utilisant la photolithographie UV et lithographie électronique peut inclure l'exposition de l'échantillon, le développement de l'échantillon, dépôt de métal, et le décollage de métal. De créer des structures métalliques 3D, la séquence est répétée plusieurs fois. La complexité et la difficulté de l'empilage et l'alignement des calques multiples limite les applications pratiques de structuration métal 3D à l'aide des outils de nanofabrication standard. Femtoseconde laser écriture directe est apparue comme une technique de pré-éminente pour la nanofabrication 3D. ^1,2 lasers femtoseconde sont souvent utilisés pour créer des modèles 3D dans des polymères et des verres ^3-7. Cependant, métal 3D directe d'écriture reste un défi. Ici, nousdécrivent un procédé pour fabriquer des nanostructures d'argent incorporés dans une matrice polymère en utilisant un laser femtoseconde centré à 800 nm. Le procédé permet la fabrication de modèles non réalisables à l'aide d'autres techniques, telles que des tableaux de voxels 3D en argent déconnectés. ⁸ modèles 3D déconnectée métalliques sont utiles pour métamatériaux où des cellules unitaires ne sont pas en contact les uns avec les autres, tels que le métal ⁹ à couplage point ^{10, 11} ou tige métallique couplé ^12,13 résonateurs. Les applications potentielles incluent métamatériaux indice négatif, capes d'invisibilité, et des lentilles parfaites.

Dans femtoseconde-laser d'écriture directe, la longueur d'onde laser est choisie de telle sorte que les photons sont pas linéairement absorbé dans le milieu cible. Lorsque la durée d'impulsion laser est comprimé à l'échelle de la femtoseconde et la radiation est très focalisé dans la cible, l'intensité très élevée induit une absorption non linéaire. Photons sont absorbés simultanément plusieursment de provoquer des transitions électroniques qui conduisent à une modification matérielle dans la région ciblée. En utilisant cette approche, on peut former des structures dans la masse d'un matériau plutôt que sur sa surface.

La plupart des travaux sur l'écriture de métal 3D directe a mis l'accent sur ​​la création de structures métalliques autoporteurs. ^14-16 La méthode décrite ici donne les structures d'argent sous-micrométriques qui n'ont pas besoin d'être auto-prise en charge car elles sont noyées dans une matrice. Une matrice de polymère dopé est préparé en utilisant un mélange de nitrate d'argent (AgNO _3), la polyvinylpyrrolidone (PVP) et de l'eau (H ₂ O). Les échantillons sont ensuite structurée par irradiation avec un laser femtoseconde 11-50-MHz produire des impulsions fs. Au cours de l'irradiation, photoréduction des ions argent est induite par l'absorption non linéaire, la création d'un agrégat de nanoparticules d'argent dans la région focale. En utilisant cette approche, nous créer des motifs d'argent intégrés dans une matrice dopée PVP. Ajout de la traduction en 3D de la sample s'étend le motif à trois dimensions.

Protocol

1. Préparation métal-ion polymère dopé Film

1. Mesure 8 ml d'eau dans un bécher.
2. Ajouter 206 mg de PVP à l'eau. Mélanger à l'aide agitateur magnétique ou vortex jusqu'à ce que la solution soit limpide.
3. Ajouter 210 mg de AgNO ₃ à la solution. Mélanger à l'aide agitateur magnétique ou vortex jusqu'à ce que la solution est claire.
4. Manteau lame de verre avec une solution par coulée goutte.
5. Lame de verre lieu à un ensemble four à 100 ° C. Cuire l'échantillon pendant 30 min.
6. Retirer l'échantillon du four et laisser refroidir pendant 30 minutes.

2. Fabrication d'ouvrages en argent déconnectés

1. Aligner configuration illustrée à la figure 1 sur la table optique avec plots anti-vibratiles.
2. Réglez le compresseur d'obtenir des impulsions de 50 fs après objectif de microscope.
3. Réglez les filtres de densité neutre pour obtenir le 3-nJ impulsions après l'objectif.
4. Veiller à la taille du spot laser est plus grande que l'ouverture arrière de l'objectif de microscope.
5. Définir modulateur acousto-optique pour produire des fenêtres d'exposition 10-ps au cours de laquelle l'échantillon est irradié.
6. Bloquer le faisceau laser avant qu'il n'atteigne l'échantillon de microscope et la placer sur l'axe 3-étage de translation. Le trajet du faisceau des impulsions laser femtoseconde doit passer à travers l'objectif du microscope et d'imagerie dans l'échantillon.
7. Mettez la source d'illumination microscope pour observer l'échantillon in situ en utilisant une caméra CCD.
8. Traduire l'axe z de l'étape de trouver l'interface entre le substrat en verre et un film polymère. Puis, recentrer microscope à la profondeur souhaitée à l'intérieur de polymère d'un motif de fond la plus-couche. Z-translation lors de motif doit être dans la direction s'éloignant de l'interface verre-polymère pour éviter la diffusion des structures fabriquées.
9. Débloquer un faisceau laser et un ensemble de commande de mouvement logiciel pour traduire échantillon en x -, y - z et - la route à une vitesse de 100 um / sec. Irradier voxels simples de 10 microsecondes d'unnd séparés voxels voisins par au moins plusieurs micromètres pour clairement in-situ d'imagerie. Réglage acousto-optique modulateur taux de répétition de 25 Hz produira 4-um espacement. Les zones exposées au laser contiendra des structures d'argent.

Representative Results

Le modulateur acousto-optique et les filtres de densité neutre (figure 1) permettent de contrôler une quantité d'énergie déposée dans l'échantillon. Avec une exposition de 110 impulsions par voxel et 3 nJ par impulsion, avec l'étape de traduction à 100 um / s, les structures résultantes d'argent sont facilement visibles au microscope optique in-situ. La baisse des niveaux d'exposition au laser (en réduisant l'énergie d'impulsion et / ou le nombre d'impulsions) conduisent à des caractéristiques plus petites d'argent; nous avons observés. Caractéristiques aussi petites que 300 nm ⁸ Il est possible de créer des structures d'argent en utilisant une large gamme d'énergies d'impulsion de moins d'un Figure nanojoule à plusieurs nanojoules. 3 montre des rendus 3D des images optiques prises d'un échantillon fabriqué. Le motif, constitué par une série de points sur le dessus de l'autre matrice, est représentée sous deux angles. Les données peuvent également être visualisés à travers des vidéos; séquentielles images de microscopie optique sont animés dans l'article vidéo. Le thickness de la matrice polymère est contrôlée par la quantité de solution utilisée lors du processus de coulée goutte. Un millilitre de solution sur un 2,5 cm x 2,5 cm lame de verre donne approximativement un film de 15 microns d'épaisseur.

Images haute résolution des structures d'argent fabriqués peuvent être obtenus par imagerie SEM. Montre la figure 4 images MEB d'un échantillon constitué d'un tableau 2D de points qui sont fabriqués directement sur ​​le substrat de verre. On facilement obtenir les fonctions d'argent qui sont des sous-micromètre.

Figure 1. Configuration de fabrication au laser. Les principales composantes de notre installation de fabrication comprennent un laser femtoseconde, un isolateur de Faraday, un compresseur, un modulateur acousto-optique (AOM), une densité neutre (ND), un microscope avec caméra, une grande précision de translation à 3 axes , et une table de montage optique ed sur plots anti-vibratiles. Le laser produit des impulsions laser fs 50-centrés à 800 nm avec un taux de répétition de 11 MHz. Le pré-compresseur pour compenser la dispersion dans le trajet du faisceau optique pour obtenir 50-fs impulsions à l'échantillon. L'OMA et filtre ND fonctionner comme un déclencheur et un atténuateur de contrôle de l'exposition au laser de l'échantillon. On utilise un objectif de microscope 0,8-NA à la fois de focaliser le faisceau laser et l'image de l'échantillon en cours de fabrication. La position de l'échantillon est contrôlée par une haute précision de translation 3-axes. L'ensemble du montage est monté sur une table optique avec isolation de vibrations.

Figure 2. Schématique l'ensemble de l'expérience. Un échantillon est préparé par revêtement d'une plaque en verre avec un mélange de PVP, AgNO _3, et H ₂ O. Une fois que l'échantillon est préparé, la modélisation est un processus en une seule étape.

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Figure 3. 3D rendered images d'un réseau de points d'argent à l'intérieur d'une matrice. (A) 2-couche de matrice de 18 points d'argent créés à l'intérieur d'une matrice. Pour plus de clarté, les deux couches de points sont représentés dans des couleurs différentes. Le rendu a été créé par l'empilement séquentiel des images de microscopie optique. (B) Un point de vue différent de la matrice 3D.

Figure 4. Haute résolution Les images MEB d'un échantillon motifs. Points argentés sont créés à l'interface verre / polymère pour permettre imagerie SEM. La matrice de polymère est retirée après la fabrication afin d'éviter la croissance d'argent supplémentaire entraînée par le faisceau d'électrons. ⁸ (a) l'image d'un tableau 2D de points d'argent sur ​​un substrat de verre. A) Vue de près de points d'argent à partir d'une inclinaison de 61 °angle.

Discussion

La clé du processus est l'obtention d'une matrice diélectrique dopée qui permet la fabrication de haute résolution, mais ne se dégrade pas rapidement après la préparation. Un simple mélange de PVP, AgNO ₃ et H ₂ O permet la création de nanostructures d'argent à haute résolution qui sont incorporés dans une matrice de support. La variation de la PVP à AgNO ₃ taux changera l'énergie laser requise pour la fabrication et les propriétés potentiellement d'autres caractéristiques comme la résolution. Un faible rapport conduit à une dégradation plus rapide de la matrice diélectrique, et un ratio élevé conduit à de très faibles quantités d'argent dans les caractéristiques fabriquées.

Le spot laser de taille minimale, qui dépend de la longueur d'onde, le paramètre mode de faisceau laser, et l'ouverture d'objectif de microscope numérique (NA)-est à 900 nm pour notre système. La nature des interactions non linéaires de lumière et la matière peut conduire à des fonctionnalités d'argent qui sont plus petites que cette dimension de spot. Nous avons démontré de 300 nm fonctionnalités d'argent uchanter notre montage optique. ⁸ L'objectif utilisé dans cette expérience a une ouverture numérique de 0,8 et une distance de travail de 3 mm, ouvrant ainsi la voie à motif épais échantillons 3D. Forte focalisation d'un NA de 1,4 est typique pour les motifs techniques laser femtoseconde-conduirait à une taille de spot laser beaucoup plus petite avec le compromis d'une distance de travail plus courte.

La résolution de la technique pourrait être augmenté de plus forts optiques de focalisation et, potentiellement, en modifiant la chimie. Dans le sens opposé, les grands traits peuvent être facilement créée en augmentant l'énergie laser et le temps d'irradiation. Formes spécifiques, tels que des lignes courtes, peuvent être obtenues par balayage au laser en continu sur une distance. Les futures applications de la technique peuvent inclure des métamatériaux indice négatif, capes d'invisibilité, et des lentilles parfaites pour les régimes de longueurs d'ondes optiques et infrarouges. ⁹ Ces applications dépendent fortement des propriétés optiques de la silnanostructures ver.