Summary
כתיבה ישירה femtosecond ליזר משמשת לעתים קרובות כדי ליצור דפוסים תלת ממדים (3D) בפולימרים וכוסות. עם זאת, דפוסי מתכות ב-3D עדיין מהוות אתגר. אנו מתארים שיטה לבודת ננו כסף שנתקע בתוך מטריצת פולימר באמצעות ליזר femtosecond המרוכז ב 800 ננומטר.
Abstract
ערכת כלי nanofabrication הסטנדרטית כוללת טכניקות שנועדו בעיקר ליצירת דפוסי 2D בתקשורת דיאלקטרי. יצירת דפוסי מתכת בהיקף submicron דורשת שילוב של כלי nanofabrication וכמה שלבי עיבוד חומרים. לדוגמה, על שלבים ליצירת מבני מתכת מישוריים באמצעות photolithography הסגול וקרן אלקטרונים ליתוגרפיה יכולים לכלול חשיפת מדגם, פיתוח מדגם, תצהיר מתכת, ומתכת המראה. כדי ליצור מבני מתכת 3D, הרצף חוזר על עצמו מספר פעמים. המורכבות והקושי של לערום ויישור שכבות מרובות מגבילות יישומים מעשיים של בניית מתכת באמצעות 3D nanofabrication כלים סטנדרטיים. כתיבה ישירה femtosecond הליזר התפתחה טכניקה מראש יחסנית עבור nanofabrication 3D. 1,2 לייזרי Femtosecond משמשים לעתים קרובות כדי ליצור דפוסי 3D בפולימרים וכוסות. 3-7 עם זאת, מתכת 3D ישירה כתיבה-עדיין מהווה אתגר. הנה, אנחנומתאר שיטה לפברק ננו כסף שנתקע בתוך מטריצת פולימר באמצעות ליזר femtosecond המרוכז ב 800 ננומטר. השיטה מאפשרת ייצור של תבניות אינן אפשריות באמצעות טכניקות אחרות, כגון מערכי 3D של voxels כסף מנותק. 8 תבניות מתכת 3D מנותק שימושיות לmetamaterials בו תאי יחידה אינם נמצאים בקשר אחד עם השני, 9 כגון מצמידי מתכת נקודת 10, 11 או מצמידי מתכת מוט 12,13 תהודה. יישומים אפשריים כוללים metamaterials שלילי ראשים, גלימות היעלמות, ועדשות מושלמות.
בכתיבה ישירה femtosecond ליזר, אורך גל הליזר נבחר כאלה שהפוטונים אינם נספגים באופן ליניארי במדיום היעד. כאשר משך פעימת הליזר נדחס להיקף זמן femtosecond והקרינה ממוקדת בחוזקה בתוך היעד, עוצמת קליטה הגבוהה מאוד גורמת ליניארית. פוטונים מרובים נספגים בו זמניתly לגרום למעברים אלקטרוניים שיובילו לשינוי מהותי באזור הממוקד. השימוש בגישה זו, ניתן ליצור מבנים בחלק הארי של חומר ולא על פני השטח שלו.
רוב העבודה על כתיבת מתכת ישירה 3D התמקדה ביצירת מבני מתכת עצמי נתמכים. 14-16 שיטה המתוארת כאן מניב כסף מבנים תת מיקרומטר שלא צריך להיות עצמי נתמך, כי הם מוטבעים בתוך מטריצה. מסומם הפולימר מטריקס מוכן באמצעות תערובת של הכסף חנק (3 אגנו), polyvinylpyrrolidone (PVP) ומים (H 2 O). דוגמאות אז הן בדוגמת על ידי הקרנה בליזר femtosecond 11-MHz הפקת פולסים 50-fs. במהלך הקרנה, photoreduction של יוני כסף הוא מושרה דרך קליטה קוית, יצירה כוללת של חלקיקי כסף באזור המוקד. שימוש בגישה זו אנו יוצרים דפוסי כסף שנתקע במסוממת PVP מטריצה. הוספת תרגום 3D של sמספיק מרחיב את הדפוסים לשלושה ממדים.
Protocol
1. הכנת סרט מתכת יון פולימר מסומם
- מדוד 8 מיליליטר המים בכוס.
- הוסף 206 מ"ג PVP למים. מערבב באמצעות stirrer המגנטי או מערבל מערבולת עד הפתרון הוא ברור.
- הוסף מ"ג 210 מתוך 3 אגנו לפתרון. מערבב באמצעות stirrer המגנטי או מערבל מערבולת עד הפתרון הוא ברור.
- שקופית זכוכית מעייל עם פתרון באמצעות ליהוק טיפה.
- שקופית זכוכית מקום בסט תנור ב 100 ° C. אופה מדגם למשך 30 דקות.
- הסר מדגם מתנור ומצנן במשך 30 דקות.
2. ייצור של מבני כסף מנותק
- יישר התקנה המתוארת באיור 1 על שולחן אופטי עם רטט מבודד.
- התאם מדחס לקבל פולסים 50-fsec לאחר אובייקטיבי מיקרוסקופ.
- התאם מסנני צפיפות ניטראליים להשיג פולסים 3-NJ לאחר אובייקטיבי.
- ודא גודל כתם ליזר גדול מגב של צמצם אובייקטיבי מיקרוסקופ.
- הגדר מאפנן acousto אופטי כדי לייצר חלונות חשיפה 10-μsec שבמהלכו הוקרן המדגם.
- קרן ליזר בלוק לפני שהוא מגיע מדגם מיקרוסקופ ומקום על במה של תרגום 3-ציר. נתיב הקרן של פעימות ליזר femtosecond צריך לעבור הדרך האובייקטיבית מיקרוסקופ הדמיה ולמדגם.
- הפעל מקור תאורת מיקרוסקופ כדי לבחון את הדגימה ב-situ באמצעות מצלמת CCD.
- תרגום ציר z של שלב למצוא ממשק בין מצע זכוכית וסרט פולימר. ואז, למקד מחדש את המיקרוסקופ לעומק הרצוי בתוך פולימר לתחתון ביותר שכבת דפוסים. Z-תרגום בדפוסים חייב להיות בכיוון מזכוכית פולימר הממשק להימנע מפיזור עם מבנים מפוברקים.
- ביטול חסימת קרן ליזר ותוכנות סט תנועת בקר לתרגם מדגם בx -, y - z ו-- כיוונים במהירות של 100 מיקרומטר / sec. להקרין voxels הבודד עבור 10 μsecvoxels nd הנפרד השכן של לפחות כמה מיקרומטרים להדמיה ברורה באתרו. הגדרת שיעור החזרת מאפנן acousto אופטי עד 25 הרץ יהיה לייצר מרווח 4-מיקרומטר. ליזר אזורים חשופים יכילו מבני כסף.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מאפנן acousto האופטי ומסנני צפיפות ניטראליים (איור 1) מאפשרים אחד כדי לשלוט בכמות האנרגיה שתופקד במדגם. באמצעות חשיפה של 110 פעימות בvoxel ו3 NJ לדופק, עם הבמה ומתרגמת ב 100 מיקרומטר / שני, מבני הכסף שהתקבלו הם ברצון גלויים באמצעות מיקרוסקופ האופטי באתרו. רמות נמוכות ליזר חשיפה (על ידי הפחתת אנרגיה דופקת ו / או מספר פעימות) להוביל לתכונות כסף קטנות.; שנצפינו תכונות קטנות כמו 300 ננומטר 8 ניתן ליצור מבני כסף באמצעות מגוון רחב של אנרגיות דופקות פחות מ 1 איור nanojoule לכמה nanojoules. 3 מציג הדמיות 3D של תמונות אופטיות שנלקחו ממדגם מפוברק. הדפוס, מורכב ממערך של נקודות על גבי מערך אחר, מוצג משתי זוויות. הנתונים יכולים גם להיות דמיינו באמצעות וידאו; תמונות מיקרוסקופיה אופטיות רציפות מונפשות במאמר וידאו. Thickness של הפולימר מטריקס נשלט על ידי הכמות של פתרון המשמשת בתהליך ליהוק הטיפה. מ"ל אחד של פתרון בשקופית 2.5 סנטימטרי X 2.5 סנטימטר זכוכית כ מניב סרט עבה 15-מיקרומטר.
תמונות ברזולוציה הגבוהה של מבנים מפוברקים כסף ניתן להשיג באמצעות הדמית SEM. איור 4 מראה SEM תמונות של מדגם המורכב ממערך 2D של נקודות המפוברקות ישירות על מצע הזכוכית. אנחנו בקלות להשיג תכונות כסף כי הם תת מיקרומטר בגודל.
איור 1. התקנת ייצור ליזר. המרכיבים העיקריים של תכנית ההתקנה של הייצור שלנו כוללים ליזר femtosecond, מבודד פאראדיי, מדחס, acousto אופטי מאפנן (AOM), ניטראלי בצפיפות (ND) מסנן, מיקרוסקופ עם מצלמה, דיוק גבוה תרגום במת 3-ציר , והר שולחן אופטי אד על רטט מבודד. הליזר מייצר פעימות ליזר 50-fs מרוכזים ב 800 ננומטר עם שיעור החזרה של 11 מגה רץ. המדחס מראש מפצה על הפיזור בנתיב הקרן האופטי להשיג פולסים 50-fs במדגם. AOM ותפקוד מסנן ND כתריס ומחליש לשלוט חשיפת הליזר של המדגם. אנו משתמשים במיקרוסקופ אובייקטיבי 0.8-NA זמנית להתמקד קרן הליזר ותמונת המדגם במהלך ייצור. עמדת המדגם נשלטת על ידי דיוק גבוה תרגום במת 3-ציר. כל ההתקנה היא רכוב על שולחן אופטי עם בידוד רעידות.
איור 2. סכמטי כולל של הניסוי. מדגם שהוכן על ידי ציפוי זכוכית שקופית בתערובת של PVP, 3 אגנו, וH 2 O. ברגע שהמדגם מוכן, דפוסים הוא תהליך של שלב יחיד.
איור 3. 3D שניתנו תמונות של מערך נקודת כסף בתוך מטריצה. (א) מערך 2-שכבה של 18 נקודתי כסף שנוצרו בתוך מטריצה. למען בהירות, שתי השכבות של נקודות מיוצגות בצבעים שונים. העיבוד נוצר על ידי ערמת תמונות מיקרוסקופיה אופטיות רציפות. (ב) השקפה שונה של מערך 3D.
איור 4. רזולוציה גבוהה SEM תמונות של מדגם מדוגם. נקודתי כסף נוצרות בממשק הזכוכית / פולימר כדי לאפשר הדמית SEM. פולימר מטריקס יוסר לאחר ייצור, כדי למנוע צמיחה מונעת על ידי כסף נוספת אלומת האלקטרונים. 8 (א) תמונה של מערך 2D של נקודתי כסף על מצע זכוכית. א) סגור את ההשקפה של נקודתי כסף מ61 ° הטיהזווית.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
המפתח לתהליך קבלת מטריצת דיאלקטרי מסוממת שמאפשרת ייצור ברזולוציה גבוה, אבל לא לבזות מייד לאחר הכנה. תערובת פשוטה של PVP, 3 אגנו וH 2 O מאפשרת יצירה של ננו הכסף רזולוציה גבוהה אשר מוטבעים בתוך מטריצת תמיכה. משתנה PVP עד 3 יחס אגנו ישנה את האנרגיה הדרושה לייצור הליזר, ומאפיינים פוטנציאליים אחרים כגון רזולוצית תכונה. יחס נמוך מוביל להידרדרות מהירה של מטריצת דיאלקטרי, ויחס גבוה מוביל לסכומים נמוכים מאוד של כסף בתכונות מפוברקות.
כתם ליזר מינימום הגודל שתלוי באורך גל, פרמטר מצב קרן ליזר, וצמצם מיקרוסקופ מטרה מספרי (NA)-900 ננומטר הוא למערכת שלנו. הטבע הקוי של אינטראקציות עניין, לאור יכול להוביל לתכונות כסף שהם קטנים יותר בגודל נקודה זו. אנחנו הוכחנו הכסף u תכונות 300-nmלשיר ההתקנה האופטית שלנו. 8 האובייקטיביים המשמש בניסוי זה יש NA של 0.8 ומרחק עבודה של 3 מ"מ, מה שמאפשר פוטנציאל קטעי 3D עבים דפוס. התמקדות-NA החזק של 1.4 הוא אופייני לדפוסי ליזר femtosecond טכניקות תובלנה לגודל כתם ליזר הרבה יותר קטן עם התחלופה של מרחק עבודה קצרה יותר.
הרזולוציה של הטכניקה יכולה להיות מוגברת עם אופטיקה התמקדות חזקה יותר, ואולי על ידי שינוי הכימיה. בכיוון ההפוך, תכונות גדולות יותר ניתן ליצור בקלות על ידי גברת אנרגית ליזר וזמן הקרנה. צורות ספציפיות, כגון קווים קצרים, ניתן להשיג על ידי סריקת הליזר ברציפות על פני מרחק. יישומים עתידיים של הטכניקה עשויים לכלול metamaterials שלילי ראשים, גלימות היעלמות, ועדשות מושלמות למשטרי הגל האופטיים ואינפרא אדומים. 9 יישומים אלה מאוד תלויים בתכונות האופטיות של silננו Ver.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
אין ניגודי האינטרסים הכריזו.
Acknowledgments
אנו מכירים בפול JL ובסטר לטיוח 3D של נתונים אופטיים עם אמירה. פיל מוניוז ובנימין פרנטה נתנו משוב על כתב היד לאורך התפתחותו. המחקר המתואר במאמר זה היה נתמך על ידי חיל האוויר של המשרד למחקר מדעי במסגרת מענקי FA9550-09-1-0546 וFA9550-10-1-0402.
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).
