En metode for å dikte Disconnected Silver nanostrukturer i 3D

Summary

Femtosecond-laser direkte skriving er ofte brukt til å lage tredimensjonale (3D) mønstre i polymerer og briller. Men fortsatt mønster metaller i 3D en utfordring. Vi beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av sølv nanostrukturer innebygd i en polymermatriks med en femtosecond laser sentrert ved 800 nm.

Abstract

Standarden nanofabrication verktøykasse inneholder teknikker primært rettet mot å skape 2D mønstre i dielektriske medier. Opprette metall mønstre på en submicron skala krever en kombinasjon av nanofabrication verktøy og flere materiale behandlingen trinn. For eksempel fremgangsmåten for å lage planar metallkonstruksjoner med ultrafiolett fotolitografi og elektron-litografi kan inkludere prøve eksponering, sample utvikling, metall deponering, og metall oppskytning. Å lage 3D metallkonstruksjoner blir sekvensen gjentas flere ganger. Kompleksiteten og vanskeligheter med å stable og samkjøre flere lag begrenser praktiske implementasjoner av 3D metall strukturering ved hjelp av standard nanofabrication verktøy. Femtosecond-laser direkte skriving har dukket opp som en fremragende teknikk for 3D nanofabrication. ^1,2 femtosecond lasere er ofte brukt til å lage 3D-mønstre i polymerer og briller. ^3-7 Men 3D metall direkte skrive er fortsatt en utfordring. Her har vibeskrive en metode for å fremstille sølv nanostrukturer innebygd i en polymermatriks med en femtosecond laser sentrert ved 800 nm. Metoden muliggjør fabrikasjon av mønstrene ikke mulig ved hjelp av andre teknikker, for eksempel 3D-matriser av løsrevne sølv voksler. ⁸ frakoblet 3D metall mønstre er nyttige for metamaterials der enhetsceller ikke er i kontakt med hverandre, ⁹ eksempel kombinert metall dot ^{10, 11} eller kombinert metallstang ^12,13 resonatorer. Potensielle bruksområder er negative indeks metamaterials, usynlighet kapper og perfekte linser.

I femtosecond-laser direkte skriving, laser bølgelengde velges slik at fotoner ikke lineært absorberes i målmedium. Når laseren pulsvarigheten komprimeres til femtosecond tidsskalaen og stråling er tett fokusert inne målet, induserer den ekstremt høye intensitet lineær absorpsjon. Flere fotoner er absorbert samtidigly å forårsake elektroniske overganger som fører til materielle endringer i fokus regionen. Ved hjelp av denne tilnærmingen, kan man danne strukturer i hoveddelen av et materiale i stedet for på dens overflate.

Mest arbeid på 3D direkte metall skriftlig har fokusert på å skape selvbærende metallkonstruksjoner. ^14-16 Metoden er beskrevet her gir sub-mikrometer sølv strukturer som ikke trenger å være selv-støttet fordi de er innebygd i en matrise. Et dopet polymermatriksen er fremstilt ved hjelp av en blanding av sølvnitrat (Agno _3), polyvinylpyrrolidon (PVP) og vann _(H2O). Prøvene er så mønstret ved bestråling med en 11-MHz femtosecond laser produserer 50-fs pulser. Under bestråling, er photoreduction av sølvioner indusert gjennom lineære absorpsjon, noe som skaper et aggregat av sølv nanopartikler i det sentrale området. Ved hjelp av denne tilnærmingen skaper vi sølv mønstre innebygd i en dopet PVP matrise. Legge 3D oversettelse av srikelig utvider mønstre til tre dimensjoner.

Protocol

1. Forbereder Metal-ion dopet Polymer Film

1. Mål 8 ml vann i et begerglass.
2. Legg 206 mg av PVP til vann. Bland ved hjelp av magnetisk rører eller virvelblander inntil oppløsningen er klar.
3. Legg 210 mg Agno ₃ til løsning. Bland ved hjelp av magnetisk rører eller virvelblander inntil oppløsningen er klar.
4. Coat glass lysbilde med løsning gjennom dråpe casting.
5. Sted glass lysbilde i en ovn satt til 100 ° C. Bake prøven i 30 min.
6. Fjern prøven fra ovnen og la avkjøles i 30 min.

2. Fabrikasjon av Frakoblede Silver Structures

1. Juster oppsett avbildet i figur 1 på optisk bord med vibrasjonsisolatorer.
2. Juster kompressor for å få 50-fsec pulser etter mikroskop mål.
3. Juster nøytral tetthet filtre for å oppnå 3-NJ pulser etter målet.
4. Sikre laser spot størrelse er større enn tilbake blenderåpning på mikroskop mål.
5. Set akusto-optisk modulator for å produsere 10-μsec eksponering vinduer hvorunder prøven bestrålt.
6. Block laserstråle før den når mikroskopet og sted prøven på 3-akse oversettelse scenen. Strålegangen av femtosecond laserpulser skal passere gjennom bildebehandling mikroskop objektiv og inn i prøven.
7. Slå på mikroskop belysningskilden å observere prøven in-situ ved hjelp av CCD-kameraet.
8. Oversett z-aksen scenen for å finne grensesnittet mellom glass substrat og polymer film. Deretter refokusere mikroskop til ønsket dybde inne polymer for mønster nederste lag. Z-oversettelse under mønster må være i retningen bort fra glass-polymer grensesnitt å unngå spredning med fabrikkerte strukturer.
9. Unblock laser-stråle og sett motion-kontrolleren programvare for å oversette prøve i x -, y - og z - retninger med hastighet på 100 mikrometer / sek. Strålebehandling enkle voksler for 10 μsec ennd separate nabokommunene voksler med minst flere mikrometer for klar in-situ bildebehandling. Innstilling Akusto optisk modulator repetisjon hastighet til 25 Hz vil produsere 4-mikrometer avstand. Laser utsatte områder vil inneholde sølv strukturer.

Representative Results

Den akusto-optisk modulator og nøytral tetthet filtre (Figur 1) tillater en å kontrollere mengden av energi deponert inn i prøven. Bruke en eksponering på 110 pulser pr voxel og 3 nJ per puls, med scenen oversette på 100 mikrometer / sek, den resulterende sølv strukturene er lett synlig gjennom in situ optisk mikroskop. Lavere laser eksponeringsnivåer (ved å redusere pulsenergien og / eller puls nummer) føre til mindre sølv egenskaper;. Vi har observert funksjoner så liten som 300 nm ⁸ Det er mulig å lage sølv strukturer ved hjelp av en rekke puls energier fra mindre enn en nanojoule til flere nanojoules. Figur 3 viser 3D-gjengivelser av optiske bilder tatt av en fabrikkert prøve. Mønsteret, som består av en matrise av prikker på toppen av en annen matrise, er vist fra to vinkler. Dataene kan også visualiseres gjennom videoer, sekvensielle optiske mikroskopi bilder er animert i videoen artikkelen. Den thickness for polymermatriksen styres av mengde oppløsning som brukes i det miste støpeprosessen. En milliliter løsning på en 2,5 cm x 2,5 cm glass lysbilde gir omtrent en 15-mikrometer tykk film.

Høyoppløselige bilder av fabrikkerte sølv strukturer kan fås gjennom SEM bildebehandling. Figur 4 viser SEM bilder av et utvalg bestående av en 2D array av punkter som er fabrikkert direkte på glasset underlaget. Vi lett få sølv funksjoner som er sub-mikrometer i størrelse.

Figur 1. Laser fabrikasjon oppsett. De viktigste komponentene i vår fabrikasjon oppsett inkluderer femtosecond laser, en Faraday isolator, en kompressor, en Akusto Modulator (AOM), en nøytral tetthet (ND) filter, et mikroskop med kamera, høy presisjon 3-akse oversettelse scenen , og en optisk tabell mount ed på vibrasjonsisolatorer. Laseren produserer 50-fs laserpulser sentrert på 800 nm med en repetisjon på 11 MHz. Kompressoren pre-kompenserer for dispersjon i den optiske strålegangen å skaffe 50-fs pulser på prøven. Den AOM og ND filter funksjon som en lukker og en attenuator for å kontrollere laserstråling av prøven. Vi bruker en 0,8-NA mikroskop mål å samtidig fokusere laserstrålen og bilde prøven under fabrikasjon. Prøven posisjonen er styrt av en høy presisjon 3-akse oversettelse scenen. Hele oppsettet er montert på et optisk bord med vibrasjonsisolering.

Figur 2. Generell skjematisk av eksperimentet. En prøve fremstilt ved å belegge et glass-slide med en blanding av PVP, ₃ Agno og H ₂ O. Når prøven er forberedt, er mønster en enkelt-trinns prosess.

ve_content "fo: keep-together.within-page =" always ">
Figur 3. 3D gjengitt bilder av en sølv punktmatrisen inne en matrise. (A) 2-lags rekke 18 sølv prikker opprettet inne i en matrise. For klarhet, er de to lag av prikker representert i forskjellige farger. Gjengivelsen ble opprettet ved å stable sekvensielle optiske mikroskopi bilder. (B) En annen visning av 3D-matrise.

Figur 4. Høy oppløsning SEM bilder av en mønstret prøve. Sølv prikker er opprettet på glass / polymer-grensesnitt for å tillate SEM bildebehandling. Polymermatriksen fjernes etter fabrikasjon å unngå ytterligere sølv vekst drevet av elektronstrålen. ⁸ (a) Bilde av en 2D rekke sølv prikker på et glassubstrat. A) Nærbilde av sølv prikker fra en 61 ° tiltvinkel.

Discussion

Nøkkelen til prosessen er å skaffe et dopet dielektrisk matrise som gir høy oppløsning fabrikasjon, men ikke nedbryter snart etter tilberedning. En enkel blanding av PVP, ₃ Agno og H ₂ O tillater etablering av høyoppløselige sølv nanostrukturer som er innebygd i en bærermasse. Varierende PVP til Agno ₃ forholdet vil endre laser energien som trengs for fabrikasjon, og potensielt andre egenskaper som funksjon oppløsning. Et lavt forholdstall fører til raskere nedbrytning av den dielektriske matriks, og et høyt forhold fører til svært lave mengder av sølv i fabrikkerte funksjoner.

Den minste laser spot størrelse-som avhenger bølgelengde, laserstråle modus parameter, og mikroskop mål numerisk apertur (NA)-er 900 nm for vårt system. Det ulineære natur lyset-saken interaksjoner kan føre til sølv funksjonene som er mindre enn dette punktstørrelse. Vi har vist 300 nm sølv funksjoner usynge våre optiske oppsett. ⁸ Målet brukt i dette eksperimentet har et NA på 0,8 og en arbeider avstand av 3 mm, slik at potensialet til mønster tykke 3D prøver. Sterkere fokus-en NA på 1,4 er typisk for femtosecond laser mønster teknikker-ville føre til en mye mindre laser spot størrelse med tradeoff av kortere arbeidsdag avstand.

Oppløsningen av teknikken kan øke med sterkere fokus optikk og, potensielt, ved å endre kjemien. I motsatt retning, kan større funksjoner lett opprettes ved å øke laserenergi og bestråling tid. Spesifikke figurer, for eksempel korte linjer, kan oppnås ved å skanne laseren kontinuerlig over en avstand. Fremtidige anvendelser av teknikken kan omfatte negative indeks metamaterials, usynlighet kapper og perfekte linser for de optiske og infrarøde bølgelengder regimer. ⁹ Disse programmene vil sterkt avhenge av optiske egenskaper silver nanostrukturer.