Summary
-Laser femtosegundo directa-escritura se utiliza con frecuencia para crear en tres dimensiones (3D) en los patrones de polímeros y cristales. Sin embargo, los metales de modelado en 3D sigue siendo un desafío. Se describe un método para la fabricación de nanoestructuras de plata embebidas dentro de una matriz polimérica usando un láser de femtosegundo centrada a 800 nm.
Abstract
El juego de herramientas estándar incluye técnicas de nanofabricación principalmente dirigidas a la creación de patrones 2D en medios dieléctricos. La creación de modelos de metal a escala submicrónica requiere una combinación de herramientas de nanofabricación y varios pasos de procesamiento de materiales. Por ejemplo, los pasos para crear estructuras planas de metal utilizando fotolitografía ultravioleta y la litografía de haz de electrones puede incluir la exposición de la muestra, el desarrollo de la muestra, la deposición de metal, y el despegue metal. Para crear estructuras 3D de metal, la secuencia se repite varias veces. La complejidad y la dificultad de apilamiento y alineación de múltiples capas limita las implementaciones prácticas de estructuración del metal 3D usando herramientas estándar de nanofabricación. -Láser femtosegundo directo de escritura se ha convertido en una técnica por excelencia para la nanofabricación 3D. 1,2 láseres de femtosegundo se utilizan con frecuencia para crear patrones 3D en polímeros y cristales. 3-7 Sin embargo, metal directo 3D-escritura sigue siendo un desafío. Aquí, nosdescriben un método para la fabricación de nanoestructuras de plata embebidas dentro de una matriz polimérica usando un láser de femtosegundo centrada a 800 nm. El método permite la fabricación de patrones no sea posible, usando otras técnicas, tales como matrices en 3D de voxels de plata desconectados. 8 patrones desconectados 3D metálicas son útiles para metamateriales donde las células de la unidad no están en contacto unos con otros, tales como metal 9 acoplado punto 10, 11 o acoplado varilla de metal 12,13 resonadores. Las aplicaciones potenciales incluyen metamateriales negativos del índice, capas de invisibilidad y lentes perfectos.
En femtosegundos láser directa-escritura, la longitud de onda de láser se elige de modo que los fotones no están linealmente absorbida en el medio de destino. Cuando la duración del pulso láser se comprime hasta la escala de tiempo de femtosegundos y la radiación está estrechamente centrado en el interior de la diana, la intensidad extremadamente alta induce la absorción no lineal. Fotones son absorbidos simultánea múltiplesLy para provocar transiciones electrónicas que llevan a la modificación de material dentro de la región de centrado. Usando este enfoque, se puede formar estructuras en la mayor parte de un material en lugar de sobre su superficie.
La mayoría trabaja en la escritura 3D directo del metal se ha centrado en la creación de auto-apoyados por estructuras metálicas. 14-16 El método descrito aquí produce sub-micrométricas estructuras plata que no necesitan ser auto-compatible, ya que está incrustada dentro de una matriz. Un dopado con matriz de polímero se prepara usando una mezcla de nitrato de plata (AgNO 3), polivinilpirrolidona (PVP) y agua (H 2 O). Las muestras son luego modelada por irradiación con un láser de femtosegundo 11-50-MHz producir pulsos de fs. Durante la irradiación, fotorreducción de los iones de plata se induce a través de absorción no lineal, la creación de un agregado de nanopartículas de plata en la región focal. Usando este enfoque crear patrones de plata embebidas en una matriz dopada con PVP. Añadir la traducción de 3D de la samplio que el modelado se extiende tres dimensiones.
Protocol
1. Preparación del metal-ion Doped película de polímero
- Mida 8 ml de agua en un vaso de precipitados.
- Añadir 206 mg de PVP al agua. Mezclar utilizando un agitador magnético o un mezclador de vórtice hasta que la solución es clara.
- Añadir 210 mg de AgNO 3 a solución. Mezclar utilizando un agitador magnético o un mezclador de vórtice hasta que la solución es clara.
- Escudo portaobjetos de vidrio con una solución a través de colada gota.
- Colocar el portaobjetos de vidrio en un conjunto horno a 100 ° C. Hornear muestra durante 30 min.
- Retire la muestra del horno y dejar enfriar durante 30 minutos.
2. Fabricación de Estructuras Plata desconectados
- Alinear la configuración representada en la Figura 1 en la mesa óptica con aisladores de vibración.
- Ajuste compresor para obtener 50-FSEC pulsos después objetivo del microscopio.
- Ajuste filtros de densidad neutra para obtener 3-NJ pulsos después del objetivo.
- Asegúrese de que el tamaño del punto láser es más grande que la espalda abertura del objetivo del microscopio.
- Establecer modulador acústico-óptico para producir 10-microsegundos ventanas de exposición durante el cual se irradia la muestra.
- Bloquear haz de láser antes de que alcance la muestra de microscopio y el lugar en 3-ejes etapa de traducción. La trayectoria del haz de los pulsos láser de femtosegundos debe pasar a través del objetivo de microscopio de formación de imágenes y en la muestra.
- Encienda la fuente de iluminación microscopio para observar la muestra in situ usando la cámara CCD.
- Traducir eje z de la etapa de encontrar la interfaz entre el sustrato de vidrio y película de polímero. Entonces, el nuevo enfoque microscopio a la profundidad deseada en el interior de polímero para el modelado del fondo-capa. Z-traducción durante patrón debe estar en la dirección alejada de la interfaz vidrio-polímero para evitar una dispersión con las estructuras fabricadas.
- Desbloquear rayo láser y el software de juego de movimiento de controlador para traducir muestra en x -, y - y - z direcciones a una velocidad de 100 m / seg. Irradiar voxels individuales de 10 microsegundos unand voxels vecinos separados por al menos varios micrómetros de clara in-situ de imágenes. Configuración acústico-óptico tasa de repetición modulador a 25 Hz será producir 4-m espaciamiento. Áreas expuestas a láser contendrá estructuras de plata.
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Representative Results
El modulador acústico-óptico y de densidad neutra (figura 1) permiten controlar la cantidad de energía depositada en la muestra. Uso de una exposición de 110 pulsos por voxel y 3 nJ por impulso, con la etapa de traducción a 100 m / seg, las estructuras de plata resultantes son fácilmente visibles a través del microscopio óptico in-situ. Los niveles más bajos de exposición al láser (mediante la reducción de la energía del impulso y / o número de pulsos) conducen a funciones de plata más pequeñas;. Hemos observado características tan pequeñas como 300 nm 8 Es posible crear estructuras de plata usando una amplia gama de energías de impulso de menos de uno Figura nanojoule a nanojoules varios. 3 muestra representaciones en 3D de imágenes ópticas tomadas de una muestra fabricada. El patrón, que consiste en una matriz de puntos en la parte superior de la otra matriz, se muestra desde dos ángulos. Los datos también se pueden visualizar a través de videos, imágenes secuenciales de microscopía óptica se animan en el artículo de video. El thickness de la matriz de polímero es controlada por la cantidad de solución utilizada durante el proceso de colada gota. Un mililitro de solución en un 2,5 cm x 2,5 cm aproximadamente portaobjetos de vidrio se obtiene una película de espesor 15-m.
Las imágenes de alta resolución de las estructuras fabricadas de plata se puede conseguir a través de imágenes SEM. Figura 4 muestra imágenes de SEM de una muestra que consta de una matriz 2D de puntos que se fabrican directamente sobre el sustrato de vidrio. Estamos dispuestos a disfrutar de las funciones de plata que son sub-micrométrico de tamaño.
Figura 1. Configuración del láser de fabricación. Los componentes primarios de nuestra configuración de fabricación incluyen un láser de femtosegundo, un aislador de Faraday, un compresor, un modulador acústico-óptico (AOM), un filtro de densidad neutra (ND), un microscopio con cámara, una alta precisión 3-ejes etapa de traducción y una tabla de montaje óptico ed en aisladores de vibración. El láser produce 50-fs pulsos de láser centrado en 800 nm con una tasa de repetición de 11 MHz. El compresor pre-compensa la dispersión en la trayectoria del haz óptico para obtener 50-fs impulsos a la muestra. El AOM y la función de filtro ND como un obturador y un atenuador para controlar la exposición al láser de la muestra. Usamos un objetivo de microscopio 0,8-NA de enfocar simultáneamente el rayo láser y la imagen de la muestra durante la fabricación. La posición de la muestra es controlado por una alta precisión-3-eje etapa de traducción. La configuración completa está montado sobre una mesa óptica con aislamiento de vibraciones.
Figura 2. Esquemática general del experimento. Una muestra se prepara por revestimiento de un portaobjetos de vidrio con una mezcla de PVP, AgNO 3, y H 2 O. Una vez que se prepara la muestra, patrón es un proceso de un solo paso.
Figura 3. 3D representa la imagen de una matriz de puntos de plata en el interior de una matriz. (A) 2-capa de matriz de 18 granos de plata creadas dentro de una matriz. Para mayor claridad, las dos capas de puntos se representan en diferentes colores. La representación fue creada por el apilamiento de sucesivas imágenes de microscopía óptica. (B) una vista diferente de la matriz 3D.
Figura 4. De alta resolución imágenes de SEM de una muestra patrón. Granos de plata se crean en la interfase vidrio / polímero para permitir la formación de imágenes SEM. La matriz de polímero se retira después de la fabricación para evitar el crecimiento de plata adicional accionado por el haz de electrones. 8 (a) Imagen de una matriz 2D de puntos de plata sobre un sustrato de vidrio. A) Cierre de vista de puntos de plata de 61 ° de inclinaciónángulo.
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Discussion
La clave del proceso es la obtención de una matriz dieléctrica dopado que permite una fabricación de alta resolución, pero no se degrade poco después de la preparación. Una mezcla simple de PVP, AgNO 3 y H 2 O permite la creación de nanoestructuras de plata de alta resolución que están incrustados dentro de una matriz de soporte. La variación del PVP a AgNO 3 relación va a cambiar la energía láser necesaria para la fabricación y las propiedades potencialmente otros como la resolución de función. Una proporción baja conduce a una degradación más rápida de la matriz dieléctrica, y una elevada relación conduce a cantidades muy pequeñas de plata en las características fabricadas.
El punto láser mínimo tamaño que depende de la longitud de onda, el parámetro de modo de haz láser, y la abertura microscopio objetivo numérica (NA)-es 900 nm para nuestro sistema. La naturaleza no lineal de las interacciones luz-materia puede conducir a las características de plata que son más pequeños que este tamaño de punto. Hemos demostrado 300-nm plata características ucantar nuestra configuración óptica. 8 El objetivo utilizada en este experimento tiene una NA de 0,8 y una distancia de trabajo de 3 mm, lo que permite el potencial de muestras patrón 3D de espesor. Centrándose más fuerte-un NA de 1,4 es típico para el patrón láser de femtosegundos técnicas-conduciría a un tamaño del punto láser mucho más pequeño con la desventaja de una distancia de trabajo más corta.
La resolución de la técnica se podría aumentar con fuertes ópticas de enfoque y, potencialmente, mediante la modificación de la química. En la dirección opuesta, las grandes características pueden ser fácilmente creado mediante el aumento de la energía láser y el tiempo de irradiación. Formas específicas, tales como líneas cortas, se puede conseguir mediante el escaneado del láser continuamente sobre una distancia. Las futuras aplicaciones de la técnica pueden incluir metamateriales negativos de índice, capas de invisibilidad, y lentes perfectas para los regímenes de longitudes de onda ópticas e infrarrojas. 9 Estas aplicaciones dependerá fuertemente de las propiedades ópticas de la silnanoestructuras ver.
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Disclosures
No hay conflictos de interés declarado.
Acknowledgments
Reconocemos Paul Webster JL para la representación 3D de datos ópticos con Amira. Phil Muñoz y Franta Benjamin proporcionó retroalimentación sobre el manuscrito a lo largo de su desarrollo. La investigación descrita en este trabajo recibió el apoyo de la Fuerza Aérea Oficina de Investigación Científica de las ayudas a FA9550-09-1 hasta 0546 y FA9550-10-1-0402.
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