Summary
Фемтосекундного лазера прямого написания часто используется для создания трехмерных (3D) моделей в полимерах и стеклах. Тем не менее, структурирование металлов в 3D остается проблемой. Мы опишем способ изготовления серебряных наноструктур внедренные в полимерную матрицу помощью фемтосекундного лазера с центром в точке 800 нм.
Protocol
1. Подготовка Металл-ионная полимерная пленка легированных
- Измерьте 8 мл воды в стакане.
- Добавить 206 мг PVP в воду. Смешать с использованием магнитной мешалки или вихревой смеситель, пока раствор не станет прозрачным.
- Добавить 210 мг AgNO 3 в растворе. Смешать с использованием магнитной мешалки или вихревой смеситель, пока раствор не станет прозрачным.
- Пальто стекло с раствором через падение литья.
- Место стекло в сушильном шкафу при температуре 100 ° C. Выпекать образца в течение 30 мин.
- Снять образец из духовки и дайте остыть в течение 30 мин.
2. Изготовление Disconnected структур Серебряный
- Выровнять установки изображена на рисунке 1 на оптический стол с виброизоляторы.
- Отрегулируйте компрессор для получения 50-фс импульсов после объектива микроскопа.
- Настройте фильтры нейтральной плотности для получения 3-нДж импульсами после того, как цель.
- Убедитесь, размер лазерного пятна больше, чем назад апертура объектива микроскопа.
- Установить акустооптического модулятора для получения 10-мкс воздействия окна в течение которого образец облучается.
- Блок лазерного луча до его попадания в микроскоп и место образца на 3-осевой стадии перевода. Пути луча фемтосекундного лазерного импульса должна пройти через объектив микроскопа изображений и в образец.
- Включите источник освещения микроскопа наблюдать за образцом на месте с помощью ПЗС-камеры.
- Перевести оси стадии, чтобы найти взаимосвязь между стеклянной подложкой и полимерная пленка. Тогда, переориентировать микроскопа на необходимую глубину внутрь полимера для формирования паттерна самый нижний слой. Z-перевода при переносе изображения должны быть в направлении от стекла полимер, чтобы избежать рассеяния с сфабрикованы структуры.
- Разблокировать лазерного луча и набор движений контроллера программного обеспечения для перевода образца в х - у - и Z - направления со скоростью 100 мкм / сек. Облучения одного вокселов в течение 10 мксй отдельной соседних вокселей по крайней мере, несколько микрометров четкого на месте изображения. Установка акустооптического модулятора с частотой повторения 25 Гц будет производить 4-мкм интервал. Лазерная открытых участках будет содержать серебро структур.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Акустооптического модулятора и фильтры нейтральной плотности (рис. 1) позволяют контролировать количество энергии, вложенной в образце. Использование экспозиции из 110 импульсов в воксела и 3 нДж на импульс, с этапом перевода на 100 мкм / сек, полученных структур серебра хорошо видны через на месте оптического микроскопа. Нижние уровни лазерного воздействия (за счет уменьшения энергии импульса и / или количество импульсов) приводит к меньшим особенности серебро,. Мы наблюдали детали размером до 300 нм 8 можно создать серебра структур с использованием широкого спектра импульса энергии от менее одного nanojoule несколько наноджоулей. рисунке 3 показана 3D-визуализации оптических изображений, полученных из сфабрикованных образца. Шаблон, состоящий из массива точек на другой массив, показано с двух сторон. Данные также могут быть визуализированы посредством видео, последовательного оптического изображения микроскопии анимированы в видео, статьи. Тхиckness полимерной матрицы контролируется количество раствора используются в процессе литья капли. Один миллилитр раствора на 2,5 см х 2,5 см предметное стекло дает примерно 15-мкм фильма.
Высокое разрешение изображения готовых структур серебра может быть получен через SEM изображения. Показано на рисунке 4 СЭМ изображения образцов, состоящих из 2D массив точек, которые изготавливаются непосредственно на стеклянной подложке. Мы легко получить серебряную функции, которые являются суб-микронных размеров.
Рисунок 1. Лазерное изготовление установки. Основными компонентами нашего производства включает установку фемтосекундного лазера, изолятор Фарадея, компрессор, акусто-оптический модулятор (АОМ), нейтральной плотности (ND) фильтр, микроскоп с камерой, высокая точность 3-осевой перевод этапе и оптических таблица монтирования ред на виброизоляторы. Лазер производит 50-фс лазерными импульсами с центром в точке 800 нм с частотой повторения 11 МГц. Компрессор предварительной компенсации дисперсии в оптических путь луча для получения 50-фс на образце. ОСО и фильтр нейтральной плотности функции затвора и аттенюатор для управления лазерное облучение образца. Мы используем 0,8-NA объектива микроскопа одновременно сфокусировать лазерный луч и изображение образца в процессе изготовления. Образец положение контролируется с помощью высокоточного 3-осевой перевод этапе. Вся установка смонтирована на оптическом столе, имеющем виброизоляцию.
Рисунок 2. Общая схема эксперимента. Образец подготовленной покрытием стекло смесью PVP, AgNO 3 и H 2 O. Как только образец подготовлен, структурирование является пошаговый процесс.
Рисунок 3. 3D визуализации изображения массива серебра точкой внутри матрицы. (А) 2-слой массив из 18 серебряных точек создается внутри матрицы. Для ясности, два слоя точек представлены в разных цветах. Оказание была создана путем наложения последовательных оптических изображений микроскопии. (Б) иной взгляд на 3D-массив.
Рисунок 4. Высокое разрешение СЭМ изображения узорные образцом. Серебряный точек создаются на стекле / полимер интерфейс, позволяющий SEM изображения. Полимерная матрица удаляется после изготовления, чтобы избежать дополнительного роста серебро обусловлен электронным пучком. 8 (а) Изображение 2D массив из серебра точек на стеклянной подложке. A) Крупным планом вид из серебра точек с наклоном 61 °углом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Ключом к процессу получения легированных диэлектрической матрице, что позволяет с высокой изготовление разрешение, но не ухудшает вскоре после приготовления. Простая смесь ПВП, AgNO 3 и H 2 O позволяет создавать высокое разрешение серебра наноструктур, внедренных в матрицу поддержки. Изменение ПВП AgNO 3 соотношение изменится лазерной энергии, необходимой для изготовления, и, возможно, других свойств, таких как функция разрешения. Низкое отношение приводит к ускорению деградации диэлектрической матрице, и высокое отношение приводит к очень низким количеством серебра в сфабрикованы возможности.
Минимальный размер лазерного пятна, которое зависит от длины волны лазерного луча режиме параметр, и объектива микроскопа числовой апертурой (NA)-это 900 нм для нашей системы. Нелинейный характер света и вещества взаимодействие может привести к серебряным функции, которые меньше этого размера пятна. Мы показали 300-нм серебро особенности ипеть наши оптические установки 8. Цель используемые в данном эксперименте имеет NA 0,8 и рабочим расстоянием 3 мм, что позволяет потенциал, чтобы картина толстые образцы 3D. Сильнее фокусировки-НС в 1,4 характерно для фемтосекундных лазерных методов структурирования, приведет к гораздо меньшим размером лазерного пятна с компромисс сокращение рабочего расстояния.
В резолюции техники может быть увеличено с более сильными фокусирующей оптикой и, возможно, путем изменения химии. В обратном направлении, большие возможности могут быть легко созданы за счет увеличения энергии лазерного излучения и временем облучения. Конкретные формы, такие как короткие линии, могут быть получены путем сканирования лазерным непрерывно на расстоянии. Будущие применения техники может включать в себя отрицательную метаматериалов индекса, невидимости плащи, и совершенный линз для оптических и инфракрасных длин волн режимов 9. Эти приложения будут сильно зависит от оптических свойств кремнияверсия наноструктур.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Нет конфликта интересов объявлены.
Acknowledgments
Мы признаем, Paul Webster JL для 3D-рендеринга оптические данные с Amira. Фил Муньоса и Бенджамин Franta высказали свое мнение о рукописи всем протяжении ее развития. Исследования, описанные в этой статье была поддержана Управлением ВВС научные исследования в рамках грантов FA9550-09-1-0546 и 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).
