Summary
Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben wird häufig verwendet, um dreidimensionale (3D) Strukturen in Polymeren und Gläsern zu schaffen. Allerdings bleibt Strukturierung Metallen in 3D eine Herausforderung. Wir beschreiben ein Verfahren zum Herstellen Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix durch einen Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebettet.
Abstract
Der Standard Nanofabrikation Toolkit umfasst Techniken in erster Linie an die Erstellung von 2D-Muster in dielektrischen Medien abzielen. Erstellen Metall Muster auf einem Submikrometerbereich erfordert eine Kombination von Nanofabrikation Tools und mehrere Material Verarbeitungsschritte. Zum Beispiel, Schritte zum Erstellen planaren Metall-Strukturen mit UV Photolithographie und Elektronenstrahl-Lithographie können Sample Exposition, Probe Entwicklung, Metallabscheidung und Metall liftoff gehören. Um 3D-Metall-Strukturen zu schaffen, wird die Sequenz mehrere Male wiederholt. Die Komplexität und die Schwierigkeit, Stapeln und Ausrichten mehreren Schichten begrenzt praktische Implementierungen von 3D-Metall-Strukturierung mit Standard Nanofabrikation Tools. Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben als eine herausragende Technik für 3D Nanofabrikation entstanden. 1,2 Femtosekunden-Laser werden häufig verwendet, um 3D-Muster in Polymeren und Gläsern zu schaffen. 3-7 jedoch, 3D Metall-direct-Schreiben bleibt eine Herausforderung. Hier haben wirbeschreiben ein Verfahren zu Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix mit einem Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebetteten herzustellen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mustern nicht durchführbar unter Verwendung anderer Techniken, wie z. B. 3D-Arrays getrennt Silber Voxeln. 8 Disconnected 3D Metallstrukturen sind Metamaterialien wo Elementarzellen sind nicht in Kontakt miteinander, 9 wie gekoppelten Metalls dot 10 nützlich, 11 oder gekoppelten Metallstab 12,13 Resonatoren. Potenzielle Anwendungen sind negativer Index Metamaterialien, Unsichtbarkeitsmäntel und perfekte Linsen.
Im Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreibens wird die Laserwellenlänge gewählt, dass Photonen nicht linear in das Zielmedium absorbiert. Wenn der Laser Impulsdauer zur Femtosekundenzeitskala komprimiert und die Strahlung dicht innerhalb des Targets fokussiert, induziert die extrem hohe Intensität nichtlinearen Absorption. Mehrere Photonen absorbiert gleichzeitigely, um elektronische Übergänge, die wesentliche Änderung im Fokus Region führen verursachen. Mit diesem Ansatz kann ein Strukturen in der Masse eines Materials, anstatt auf seiner Oberfläche zu bilden.
Die meiste Arbeit auf 3D direkte Metall-Schreibgeräte hat auf die Schaffung self-supported Metall Strukturen. 14-16 Die hier beschriebene Methode ergibt Sub-Mikrometer-silber Strukturen, die nicht brauchen, um sich selbst nicht unterstützt, da sie innerhalb einer Matrix eingebettet sind. Dotiertes Polymermatrix hergestellt wird unter Verwendung einer Mischung von Silbernitrat (AgNO 3), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Wasser (H 2 O). Die Proben werden dann durch Bestrahlung mit einem 11-MHz Femtosekundenlaser Herstellung 50-fs-Pulse gemustert. Während der Bestrahlung wird Photoreduktion von Silberionen durch nichtlineare Absorption induziert, wodurch ein Aggregat von Silber-Nanopartikeln im Fokusbereich. Mit diesem Ansatz schaffen wir silberne Muster in einem dotierten PVP-Matrix eingebettet. Hinzufügen von 3D-Übersetzung des sausreichend erweitert die Strukturierung auf drei Dimensionen.
Protocol
Ein. Herstellung von Metall-Ionen dotierter Polymerfilm
- Messen Sie 8 ml Wasser in einem Becherglas.
- Hinzufügen 206 mg PVP zu Wasser. Mix mit Magnetrührer oder Vortex-Mixer, bis die Lösung klar ist.
- Fügen Sie 210 mg AgNO 3 zur Lösung. Mix mit Magnetrührer oder Vortex-Mixer, bis die Lösung klar ist.
- Coat Glasplatte mit Lösung durch Drop Casting.
- Glasobjektträger Ort im Ofen eingestellte bei 100 ° C Backen Probe für 30 min.
- Wägegut vom Ofen und lassen für 30 Minuten kühl.
2. Herstellung von Disconnected Silber Structures
- Richten Sie Setup in Abbildung 1 auf optischen Tisch mit Schwingungsisolatoren dargestellt.
- Passen Kompressor 50-fs Impulse nach Mikroskopobjektiv erhalten.
- Passen Neutralfilter bis 3-nJ Impulse nach dem Ziel zu erhalten.
- Stellen Sie sicher, Messfleck ist größer als Rückapertur der Mikroskop-Objektiv.
- Set akustooptischen Modulator bis 10-usec Belichtungsfenster, während der die Probe bestrahlt wird erzeugen.
- Block Laserstrahl vor Erreichen des Mikroskops und Ort Probe auf 3-Achsen-Verschiebungselement. Der Strahlengang der Femtosekunden-Laserpulsen sollte durch die Bildgebung Mikroskopobjektiv und in die Probe gelangen.
- Schalten Mikroskop Beleuchtungsquelle, um die Probe in situ unter Verwendung CCD-Kamera zu beobachten.
- Übersetzen z-Achse der Stufe zur Grenzfläche zwischen Glassubstrat und Polymerfilm finden. Dann refokussieren Mikroskops auf die gewünschte Tiefe im Inneren Polymers zum Mustern untersten Schicht. Z-Translation während Strukturieren muss in der Richtung weg von dem Glas-Polymer-Schnittstelle sein, um Streuung mit gefertigten Strukturen zu vermeiden.
- Unblock Laserstrahl-und Set Motion-Controller-Software zur Probe in x übersetzen -, y - und z - Richtung mit einer Geschwindigkeit von 100 mu m / sec. Bestrahlen einzigen Voxel für 10 usec einernd getrennte benachbarte Voxel durch wenigstens einigen Mikrometern für klare In-situ-Bildgebung. Einstellen akustooptischen Modulator Wiederholungsrate bis 25 Hz produziert 4-Abstand um. Laser belichteten Bereichen wird Silber enthalten Strukturen.
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Representative Results
Der akustooptische Modulator und Neutralfilter (Abbildung 1) erlauben, die Menge an Energie, hinterlegt in der Probe zu steuern. Verwendung einer Belichtung von 110 Impulsen pro Voxel und 3 nJ pro Impuls, wobei die Stufe der Übersetzung bei 100 um / sec, sind die resultierenden Strukturen Silber leicht sichtbar durch die in-situ optischen Mikroskop. Niedrigere Laser Exposition (durch Verringerung Pulsenergie und / oder Impulszahl) führen zu kleineren Silber Merkmale;. Wir Merkmalen so klein wie 300 nm beobachtet 8 Es ist möglich, Silber Strukturen unter Verwendung einer breiten Palette von Pulsenergien von weniger als einem erstellen Nanojoule mehrere Nanojoule. Abbildung 3 zeigt 3D-Renderings von optischen Bildern eines hergestellten Probe entnommen. Das Muster, bestehend aus einer Anordnung von Punkten auf der Oberseite des anderen Array ist aus zwei Winkeln dargestellt. Die Daten können auch visualisiert werden durch Videos, laufende optische Mikroskopie Bilder werden im Video Artikel animiert. Die thickness der Polymermatrix wird durch die Menge der Lösung während des Gießprozesses verwendet Tropfen gesteuert. Ein Milliliter der Lösung auf einem 2,5 cm x 2,5 cm Glasplatte rund ergibt sich eine 15-um dicke Folie.
Hochaufgelöste Bilder von fabrizierten Silber Strukturen können durch SEM Bildgebung erhalten werden. 4 zeigt REM-Aufnahmen einer Probe, die aus einem 2D-Anordnung von Punkten, die direkt auf dem Glassubstrat hergestellt werden. Wir gut erhalten silber Features, die sub-Mikrometer groß sind.
Abbildung 1. Laser Fertigung Setup. Die primären Komponenten der Herstellung Setup umfassen einen Femtosekundenlaser, einen Faraday-Isolator, der einen Kompressor, einen akusto-optischen Modulator (AOM), eine neutrale Dichte (ND)-Filter, ein Mikroskop mit Kamera, eine hohe Präzision 3-Achsen-Verschiebungselement und ein optisches Tischbefestigung ed auf Schwingungsisolatoren. Der Laser erzeugt 50-fs-Laserpulsen bei 800 nm mit einer Wiederholungsrate von 11 MHz zentriert ist. Der Kompressor pre-kompensiert die Dispersion im optischen Strahlengang zu 50-fs-Pulsen an der Probe zu erhalten. Das AOM und ND-Filter-Funktion als Verschluss und einem Dämpfungsglied, um die Laser-Belichtung der Probe zu steuern. Wir verwenden ein 0,8-NA Mikroskopobjektiv um gleichzeitig den Laserstrahl zu konzentrieren und Bild der Probe während der Herstellung. Die Probe wird durch eine hochpräzise 3-Achsen-Verschiebungselement gesteuert. Die gesamte Anlage wird auf einem optischen Tisch mit Schwingungsisolierung montiert.
Abbildung 2. Insgesamt schematische des Experiments. Eine Probe wird durch Beschichten einer Glasplatte mit einer Mischung von PVP, AgNO 3, und H 2 O hergestellt Sobald die Probe hergestellt wird, ist Strukturieren einer einstufigen Prozess.
Abbildung 3. 3D gerenderten Bilder von einem silbernen dot Array innerhalb einer Matrix. (A) 2-Schicht 18 Silber Array von Punkten innerhalb einer Matrix erstellt. Zur Verdeutlichung sind die beiden Schichten von Punkten in unterschiedlichen Farben dargestellt. Das Rendering erfolgte durch Stapeln sequentiellen optischen Mikroskopie-Bilder erstellt. (B) Eine andere Ansicht des 3D-Array.
Abbildung 4. Hochauflösende REM-Aufnahmen von einem gemusterten Probe. Silber Punkte werden an dem Glas / Polymer-Schnittstelle geschaffen, um SEM Bildgebung ermöglichen. Die Polymermatrix wird nach der Herstellung entfernt werden, um zusätzliche Silber Wachstum durch den Elektronenstrahl gefahren vermeiden. 8 (a) Bild eines 2D-Arrays aus Silber Punkten auf einem Glassubstrat. A) Nahaufnahme silbernen Punkten aus einer 61 ° NeigungWinkel.
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Discussion
Der Schlüssel für den Prozess wird Erhalten eines dotierten dielektrischen Matrix, die Hochauflösung Fertigung ermöglicht, aber nicht bald nach der Herstellung verschlechtern. Eine einfache Mischung aus PVP, AgNO 3 und H 2 O ermöglicht die Erstellung von hochauflösenden Silber Nanostrukturen, die in einem Support-Matrix eingebettet sind. Variieren des PVP an AgNO 3-Verhältnis ändert die Laserenergie für die Herstellung erforderlich, und möglicherweise andere Eigenschaften wie Merkmal Auflösung. Ein niedriges Verhältnis führt zu schneller Abbau des dielektrischen Matrix, und ein hohes Verhältnis führt zu sehr geringen Mengen an Silber in Fertig Funktionen.
Die minimale Laserfleck-Größe, welche abhängig von der Wellenlänge, Laserstrahl Modusparameter und Mikroskopobjektiv numerischen Apertur (NA)-ist 900 nm für unser System. Der nichtlineare Beschaffenheit der Licht-Materie Wechselwirkungen zu Silber Funktionen, die kleiner als diese sind Fleckgröße führen. Wir haben 300-nm silber Eigenschaften u nachgewiesensingen unsere optischen Aufbau. 8 Das Ziel in diesem Experiment verwendet wird, hat eine NA von 0,8 und einen Arbeitsabstand von 3 mm, so dass das Potenzial, Muster dicke 3D Proben. Stärkere Fokussierung-an NA von 1,4 ist typisch für Femtosekundenlaser Strukturierungstechniken-würde zu einem viel kleineren Messfleck mit dem Kompromiss einer kürzeren Arbeitsabstand führen.
Die Auflösung der Technik könnte mit stärkeren Fokussieroptik erhöht werden und möglicherweise durch Veränderung der Chemie. In der Gegenrichtung können größere Merkmale leicht durch Erhöhen Laserenergie und Bestrahlungszeit erstellt werden. Spezifische Formen wie kurze Linien, können durch Scannen des Lasers kontinuierlich über einen Abstand erhalten werden. Zukünftige Anwendungen der Technik können negativer Index Metamaterialien, Unsichtbarkeitsmäntel und perfekte Linsen für die optische und Infrarot-Wellenlängenbereich Regime. 9 Diese Anwendungen werden stark von den optischen Eigenschaften des sil hängenver Nanostrukturen.
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Wir anerkennen Paul JL Webster für die 3D-Rendering von optischen Daten mit Amira. Phil Muñoz und Benjamin Franta Rückmeldungen auf das Manuskript im Laufe seiner Entwicklung. Die Forschung in diesem Papier beschrieben wurde von der Air Force Office of Scientific Research unter Zuschüsse FA9550-09-1 bis 0546 und FA9550-10-1 bis 0402 unterstützt.
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