Summary
Biz fonksiyonel malzemeler, malzeme yığınları ve tam cihazların düşük maliyetli nano desenleme sağlayan bir nanomoulding tekniği tarif. Nanomoulding herhangi nanoimprinting kurulum üzerinde gerçekleştirilebilir ve malzemeler ve çökelme süreçleri geniş bir aralığı için uygulanabilir.
Abstract
Biz fonksiyonel malzemeler, malzeme yığınları ve tam cihazların düşük maliyetli nano desenleme sağlayan bir nanomoulding tekniği tarif. Tabaka ile birleştirilmiş transferi Nanomoulding fonksiyonel materyal üzerine bir ana yapısı isteğe bağlı yüzey desenleri çoğaltma sağlar. Nanomoulding herhangi nanoimprinting kurulum üzerinde gerçekleştirilebilir ve malzemeler ve çökelme süreçleri geniş bir aralığı için uygulanabilir. Özellikle biz güneş hücreleri ışık yakalama uygulamaları için desenli şeffaf çinko oksit elektrot fabrikasyonu göstermektedir.
Introduction
Nanopatterning nanoteknoloji ve uygulamalı bilimlerin birçok alanında büyük önem kazanmıştır. Desen nesil ilk adımdır ve bu tür Nanokürecikli litografi veya blok kopolimer litografi 1 olarak öz-montaj yöntemleri dayalı elektron demeti litografi veya aşağıdan-yukarıya yaklaşımlar olarak yukarıdan-aşağı yaklaşımlarla gerçekleştirilebilir. Desen üretimi kadar önemli desen çoğaltma. Fotolitografi Ayrıca nanoimprinting (Şekil 1) düşük maliyetli 2-4 high-throughput büyük alanlı nano desenleme için uygun özellikle umut verici bir alternatif olarak ortaya çıkmıştır. Fotolitografi desenli bir maske gerektirir iken, nanoimprinting bir prefabrik ana yapıya dayanır. Dan Model ana aktarma genellikle bir termoplastik ya da bir UV-ya da termal olarak iyileştirilebilir polimer içine yapılır. Bu doğrudan doğruya fonksiyonel bir malzeme üzerine transfer etmek için arzu edilen bir model olduğu Ancak pek çok durumda bulunmaktadır.
<p class = "jove_content"> Burada nanomoulding ve biz son zamanlarda Ref tanıtılan tabaka transferi (Şekil 2) dayalı bir çoğaltma yöntemi açıklar. 5 fonksiyonel çinko oksit elektrot üzerine nano desenleri aktarmak için. Bir nanoimprinting kurulumu varsa Bizim nanomoulding yöntem kolaylıkla uygulanabilir. Nanomoulding kalıp malzemesi bu madde birikimi süreç (ler) ile uyumlu olduğu gibi seçilmiş olması koşuluyla, diğer birçok fonksiyonel malzemeler, malzeme yığınları ve hatta tam cihazlara jeneralize olma potansiyeline sahiptir. Bir örnek olarak biz burada 5 güneş hücreleri ışık yakalayıcı geliştirmek için kendi uygulama bulmak kimyasal buhar biriktirme (CVD) tarafından tevdi saydam iletken çinko oksit (ZnO) elektrotlar nanomoulding sunuyoruz.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Kalıp İmalatı
Biz. Negatif kalıp aşağıdaki Ref imalatı için 6 bizim ev yapımı nanoimprinting kurulum kullanabilirsiniz, ancak herhangi bir alternatif nanoimprinting kurulum düzgün çalışmaz. Alternatif bir Fonksiyonlu polidimetilsiloksan (PDMS) kalıp da işe yarayabilir.
- Fabrikasyona veya aktarılacak nano desen taşıyan uygun bir usta satın. Prensip olarak, nanoimprinting için uygun herhangi bir ana iş yapacak. Biz yöntemini göstermek için bir ana yapı olarak 3.1 'de açıklanan yatırılan bir cam levha üzerinde dokulu ZnO tabakası (Schott, AF32 eko, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) kullanın.
- 2'de tarif edildiği gibi, ana yapıya, bir anti-yapışkan tabakaya uygulanır.
- 2 dakika daha için ultrasonik isopropanol banyosu ardından 2 dakika süreyle ultrasonik aseton banyosu içinde bir polietilen naphtalate (PEN) sac (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0.125 mm) temizleyin. Izopropanol ile bir kez daha durulayın ve nitrojen ile kurutun.
- Mevduat bir PEN kağıda Cr yapışma tabakası (5-10 nm) püskürtülür.
- Spin-mont 5,000 rpm'de PEN kağıda UV-kurutmalı reçine (Microresist, Ormoser, 1-2 ml) bir üniforma kapsama almak.
- 80 sıcak bir plaka üzerinde 5 dakika boyunca bir prebake gerçekleştirin ° C çözücü buharlaşması, PEN sayfasına filmi tekdüzelik ve yapışma geliştirmek.
- UV-kurutmalı reçine içine ana desen damga için nanoimprinting kurulum kullanın. Zorunlu olmamasına rağmen, biz esnek bir silikon membran üzerinde 1 bar homojen bir basınç uygulayarak balonu kapanımlar engellemek için vakum altında damgalama gerçekleştirin. Bizim kurulumunda, silikon membran iki alt-bölmeye vakum odasına ayırır. Alt bölme vakum altında kaldığı sürece basınç, havalandırma üst bölme tarafından oluşturulur. Havalandırma damgalama başlatan dibe doğru esnek membran iter.
- Reçinenin çapraz bağlama reaksiyonu tetikleyen için UV ışığı ile reçine Açığa. Biz ılımlı bir ışık uygulamakçeşitli LED'ler tarafından sağlanan 365 nm dalga boyunda 1.4 mW / cm 2 yoğunluğu. PEN sayfası aracılığıyla Pozlama süresi genellikle 15-20 dakikadır.
- Dikkatlice elle ana yapısı kapalı kalıp soyulması ile demould.
- Reçine ileri işleme önce ortam atmosferi ile bir fırında 6-8 saat boyunca soyma spontan, biz 150 hafif termal sonrası fırında gerçekleştirmek ° C yol açabilir fonksiyonel malzemenin depolanması sırasında hafif bir daralma, tabi olabilir gibi.
2. Anti-yapışma Katman
Başarılı bir kalıptan çıkarma için, anti-yapışkan tabakaya malzeme ve kalıp pürüzlülük için adapte edilmelidir. Genellikle kaba desenleri düşük yapışma katsayıları gerektirir. Düz kalıpları düşük yapışma katsayısı kalıptan fonksiyonel materyal soyulma yol açabilir. Kaba desenler High yapışmasını katsayıları adheren olarak kalıp imalat sırasında PEN sayfasından reçine soyulmasına neden olabilirana reçine ce güçlüdür.
- Coat ile kalıp (veya ana) bir anti-yapışma ajan yapışma teşvik etmek krom tabakası (5-10 nm) püskürtülür. Pürüzsüz desenler için biz bu adımı bırakın. Bazı durumlarda krom tabaka etch ana yapı için anti-yapışma ajan önleyebilir.
- Bir cam slayt üzerinde anti-yapışma ajan küçük bir damla (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane) uygulanır. Bir vakum odasına kalıp ile birlikte cam slayt koyun ve aşağı pompalayınız. Anti-yapışma ajanı buharlaşması ve kalıp üzerinde moleküler tek tabaka olarak yatıracaktır.
- 80, 1-2 saat boyunca tavlama ° C ile anti yapışma ajan Anchor
3. Malzeme Biriktirme
Biz nanomoulding çok yönlülüğünü göstermek için burayı materyal birikimi için uygun üç depolama teknikleri göstermektedir. Diğer biriktirme yöntemleri de uygulanabilir olabilir. Üçüncü örnek fa açıklartam bir ince film silisyum güneş pili yağlanmalarına.
- Çinko oksit kimyasal buhar biriktirme (CVD): 180 ısıtıldı CVD reaktörün ısıtma plakası ° C üzerine kalıp koyun ZnO çökelimi esnasında PEN kalıp eğilmesini önlemek için metal bir çerçeve kullanın. Reaktör kapatın, aşağı pompalayınız ve termalizasyon sağlar. Öncü gazlar (H 2 O ve (C 2 H 5) 2 Zn) kabul et. Doping Ayrıca biz doz B 2 küçük miktarlarda H 6. ZnO tabakası kalınlığı çökelme süresi ile doğru orantılıdır. Biz ZnO tabakası tipik olarak 1-5 mikron kalınlıkta kullanın. Tipik depolanmaları parametreleri Detayları Ref bulunabilir. 7
- Fiziksel buhar biriktirme (PVD) / gümüş fışkırtması: PVD sistemi içine kalıp koyun. Sistemi kapatın ve aşağı pompalayınız. Argon süreç gazı itiraf. DC jeneratör açın. Ag tabaka kalınlığı tekrar çökelme süresi ile doğru orantılıdır. Biz Ag tabaka genellikle 1 mikron kalınlıkta kullanın. Tipik birikimi parameters 5.5x10 -3 mbar argon basıncı ve yaklaşık 45 nm / sn birikimi hızı verimli 250 W bir kurulum spesifik DC güç vardır.
- Plazma destekli kimyasal buhar biriktirme (PE-CVD): 3.1 'deki gibi Mevduat ZnO). 200 ısıtıldı PE-CVD reaktör ° C kalıp içine koyun Reaktör kapatın, aşağı pompalayınız ve termalizasyon sağlar. Öncü gazlar (SiH 4 ve H 2) kabul et. Buna ek olarak bu doz B küçük miktarlarda (CH3) 3 ve p-ve n-tipi katkılama elde etmek için pH 3. Güneş pillerinin açık devre gerilimi arttırmak için, biz de katkılı katmanları için CH 4 ve CO 2 küçük miktarlarda kullanın. 3.1 açıklandığı gibi pin amorf silikon güneş hücresi birikimi sonra, biz bir ZnO backcontact yatırmak.
- Bükme tevdi tabaka sıyrılmasına sebep olabilir gibi, kalıp aşırı bükme kaçının.
4. Katmanı Aktarım
Biz cam kullanımıNihai substrat olarak s slaytlar (Schott AF32 eko, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm). Ancak, metal folyo ya da polimer levhalar dahil olmak üzere, diğer substratlar, alternatif olarak kullanılabilir.
- Aseton ve izopropanol ve azot ile kuru darbe ile temizleyin cam slaytlar.
- 5,000 rpm'de cam slayt üzerine Spin-kat UV-kurutmalı reçine (Microresist, Ormoser, 1-2 ml).
- Nihai yüzeye yatırılan katmanları taşıyan kalıp demirlemek için nanoimprinting kurulum kullanın. Damgalama gelince, biz 1 bar homojen bir basınç uygulayarak vakum altında ankraj gerçekleştirin.
- Çapraz bağlama reaksiyonu kışkırtmak için UV ışığa reçine Açığa. Biz birkaç LED'ler tarafından sağlanan 365 nm dalga boyunda 1.4 mW / cm 2 'nin orta şiddette uygulayabilirsiniz. Cam slayt aracılığıyla Pozlama süresi PEN ile karşılaştırıldığında cam yüksek UV iletimi nedeniyle sadece 1-3 dk.
- El cam slayt kapalı kalıp soyulması ile Demould.
5. Numune Karakterizasyonu
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 3, nanomoulded yapıların açıklayıcı örnekler özetlenmiştir. Camına KVH tarafından yetiştirilen bir ZnO ana yapısı (a) 'da gösterilmiştir. Karşılık gelen nanomoulded ZnO kopya (d) 'de gösterilmiştir. Yerel yüksekliği (g) ve AFM görüntüleri elde açısı (j) histogramlar Karşılaştırılması nanomoulding sürecinin yüksek sadakat göstermektedir. Benzeri sonuçlar girişime litografi (b, e, h, k) ve anodically dokulu alüminyum (c, f, i, l) tarafından uydurulan tek boyutlu bir ızgara için gösterilmiştir.
Şekil 1. Olumsuz damga imalat (reklam) ve nanoimprinting süreci (eh) oluşan standart nanoimprinting süreci.
77fig2.jpg "alt =" Şekil 2 "fo: content-width =" 5in "fo: src =" / files/ftp_upload/50177/50177fig2highres.jpg "/>
Şekil 2.. Son substrat (fg) demirlemek negatif kalıp imalatı (reklam), fonksiyonel malzeme (e) birikimi oluşan Nanomoulding süreci. Nanomoulding işlem kavramsal olarak ilave malzeme yerleştirme basamağı (e) dışındaki Şekil 1 'deki proses nanoimprinting benzer olduğunu not edin.
. SEM görüntüleri nanomoulding için üç ana deney yapıların ilave olarak AFM görüntüleri ile: 3 Örnek ile elde edilen sonuçlar nanomoulding Şekil CVD (a), parazit litografi tarafından imal ızgara tarafından yetiştirilen ZnO, (b) dimple dizi alüminyum anodik oksidasyon ile elde edilen (c). Correspobulgu, nanomoulded ZnO kopyaları (DF) 'de gösterilmiştir. Fidelity analizi yerel yüksekliği (gi) karşılaştıran ve master ve çoğaltma yapıların açısı (jl) histogramlar (siyah sürekli çizgiler ustaları temsil, kırmızı çizgiler kopyaları kesik). Şekil 3a ölçek çubuğu da Şekil tüm AFM parçalar dahil 3b-f için geçerlidir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Nanomoulding keyfi fonksiyonel malzemeler üzerinde nanopatterns de transferini sağlar. Şekil 1 ve 2 içinde her bir işlem adımları karşılaştırılması nanomoulding ve nanoimprinting arasındaki yakın ilişki ortaya çıkmaktadır. Nanomoulding ve nanoimprinting arasındaki en önemli fark Şekil 2e yılında ek malzeme biriktirme adımdır. Kalan işlem akışı aynıdır. Nanomoulding bu nedenle herhangi bir müsait nanoimprinting kurulum üzerinde gerçekleştirilebilir.
Uyumlu bir kalıp malzeme ve anti-yapışma ajan seçilmiş olması şartıyla, malzeme birikimi böyle bir kimyasal ve fiziksel buhar çöktürme teknikleri, termal buharlaştırma ailesi gibi, çeşitli yöntemler kullanılarak, ama aynı zamanda bir çözüm-merkezli tortu yaklaşımlar gerçekleştirilebilir. Buna paralel olarak geniş nanomoulded edilebilir malzeme aralığıdır. Nanoimprinting deforme olabilen bir polimer içine yapılırken, nanomoulding de olabilir,Böyle ZnO gibi sert dizgin malzemelere uygulanan. Ortak nanoimprinting reçine izole edilmiştir Buna ek olarak, iletken malzemeler desenli olabilir.
Yüksek sıcaklıklara ulaşma çöktürme teknikleri için, kalıp desteği olarak kullanılan PEN levha, yüksek performanslı bir tabaka (örneğin, 500 ° C sıcaklığa kadar destekler DuPont Kapton PV9202 gibi), poliimid ile değiştirilebilir. Yüksek sıcaklık nanoimprinting reçineler de 600 ° C 12 dayanabilecek sıcaklığa kadar geliştirilmiştir.
Bizim nanomoulding tekniğinin önemli bir avantajı, bir katı madde olarak filmin kalıp üzerinde biriktirilir edilebilir olmasıdır. Sol-jel bazlı basma ya da bir fonksiyonel materyal ile öncü bir çözücü içinde seyreltilmiş olan döküm 8, 9 teknikler ile karşılaştırıldığında, nanomoulding yaklaşım, çözücü buharlaştırma, kurutma ve bu gibi büzülme ve gözeneklerin oluşmasına neden olarak kalsinasyon ile ilişkili tipik problemleri önler kabarcıklar ve çatlaklar.
Malzeme birikimi sonra, esnek kalıp malzemenin soyulma çatlak oluşumunu önlemek ya da lokal için dikkatli bir şekilde ele alınması gerekir. PEN levha kalınlığı çatlak oluşumu için eğrilik yarıçapı kritik ötesi bükme kalıbının tesadüfi önlemek için ayarlanabilir. Bununla birlikte, belirli bir kalıp esneklik kalıptan çıkarma işlemi için gereklidir.
Bu çalışmada KVH tarafından yatırılır ZnO. Şekil 3a bir olarak yetiştirilen ZnO ana doku bir SEM görüntüsü sunuyor ana modelin bir yüksek sadakat çoğaltma yol açar. Karşılık gelen nanomoulded kopya Şekil 3d 'de gösterilmiştir. Şekil 3g ve j gösterilen master ve çoğaltma ZnO yapısı için AFM görüntüleri elde Yükseklik ve açı histogramlar sırasıyla hemen çakışır ve yüksek sadakat onaylayın. Yüksekliği histogram daha ince morfolojik değişikliklere çok daha hassas olan açı histogram gibi sergilerçoğaltma için düşük açılarda doğru ışık kayması. Bu eğilim aynı zamanda diğer iki test yapıları için gözlenen ve özellikleri hafif bir düzeltme temsil eder. Ancak, bu tür ZnO piramitlerin yönleriyle birlikte ince hakiki kristal çıkığı hatları gibi hatta çok ince ayrıntıları yüksek doğruluk ile çoğaltılabilir ve nanomoulding tekniği çözünürlük kapasitesi kabaca bir fikir vermek. Şekil 3b çizgi ızgara jantlar birlikte Güzel modülasyonlar ayrıca çoğaltma Şekil 3e görülebilir. Baskın morfolojik özellikleri güzel gamze desen için çoğaltılamaz iken, Şekil 3c etki alanı sınırları meydana keskin ipuçları sadece başlangıçlı Şekil 3f çoğaltılır. Desen sadakat ve çözünürlük hem yatırılan malzemeye bağlıdır. Sıçratma tekniğiyle biriktirilen nanomoulded gümüş film, ile ön testler baskın morfolojik özellikler çoğaltılamaz, ama çok daha düşük doğruluğa ve rezonans yolgeçirdikleri evrim.
Ulaşılabilir boy oranı biriktirme yöntemi bağlıdır. ZnO CVD birliğine boy oranları kadar kolay bir şekilde sağlar. Birlik Yukarıda boy oranları için, yapının vadilerde öncü gazların tükenmesi gölgelemede sonunda sonuçlanan üstünde bir hızlı büyüme oranı ve muhtemelen yapısındaki boşluklar dahil yol açacaktır. Bu boşluklar filmin mekanik bütünlüğünü tehlikeye riski ve potansiyel olarak kalıptan çıkarma esnasında filmin kırılma yol açar. Bu sorunlar, son zamanlarda Ref olarak su-çözünür kalıplar kullanılarak önlenebilir. Transfer kalıplama bağlamında 10.
Giriş kısmında zikredildiği gibi, aynı zamanda nanomoulding model bileşik katman ile tam yığınları cihazları için de kullanılabilir. Ref. 11 biz PE-CVD tarafından tam bir ince film silisyum güneş pili birikimi ile KVH'tan ZnO birikimi birleştirilmiş ve nihai substrat üzerinde tam güneş pili aktarılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Çıkar çatışması ilan etti.
Acknowledgments
Yazarlar anodically dokulu alüminyum ustası ve İsviçre Federal Enerji Dairesi ve finansman için İsviçre Ulusal Bilim Vakfı için AFM, W. Lee ile yardım için M. Leboeuf ederim. Bu çalışmanın bir parçası FP7 proje hibe anlaşması hiçbir 283.501 kapsamında Avrupa Komisyonu tarafından finanse edilen "Fast Track" çerçevesinde yürütülmüştür.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Nanoimprinting resin | Microresist | Ormostamp | |
| (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-trichlorsilane, anti-adhesion agent | Sigma Aldrich | 448931-10G | |
| Glass slides | Schott | AF32 eco | 0.5 mm |
| Polyethylennaphtalate (PEN) sheets | Goodfellow | ES361090 | 0.125 mm |
| (C2H5)2Zn | Akzo Nobel | ||
| Ag sputter target 4N | Heraeus | 81062165 | |
| B2H6, SiH4, H2, B(CH3)3, PH3, CH4, CO2 | Messer | ||
| EQUIPMENT | |||
| Nanoimprinting system | Home-built | ||
| LP-CVD system | Home-built | ||
| PVD system | Leybold | Univex 450 B | |
| PE-CVD reactor | Indeotec | Octopus I | |
| SEM | JEOL | JSM-7500 TFE | |
| AFM | Digital Instruments | Nanoscope 3100 | |
References
- Geissler, M., Xia, Y. Patterning: Principles and Some New Developments. Advanced Materials. 16 (15), 1249-1269 (2004).
- Guo, L. J. Nanoimprint Lithography: Methods and Material Requirements. Advanced Materials. 19, 495-513 (2007).
- Ahn, S. H., Guo, L. J. Large-Area Roll-to-Roll and Roll-to-Plate Nanoimprint Lithography: A Step toward High-Throughput. Application of Continuous Nanoimprinting. ACS Nano. 3 (8), 2304-2310 (2009).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanoimprint Lithography for High-Efficiency Thin-Film Silicon Solar Cells. Nano Letters. 11, 661-665 (2011).
- Battaglia, C., Escarré, J., et al. Nanomoulding of Transparent Zinc Oxide Electrodes for Efficient Light Trapping in Solar Cells. Nature Photonics. 5, 535-538 (2012).
- Escarré, J., Söderström, K., et al. High Fidelity Transfer of Nanometric Random Textures by UV Embossing for Thin Film Solar Cells Applications. Solar Energy Materials & Solar Cells. 95, 881-886 (2011).
- Faÿ, S., Feitknecht, L., Schlüchter, R., Kroll, U., Vallat-Sauvain, E., Shah, A. Rough ZnO layers by LP-CVD process and their effect in improving performances of amorphous and microcrystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 90, 2960-2967 (2006).
- Zhao, X. -M., Xia, Y., Whitesides, G. M. Fabrication of Three-Dimensional Micro-Structures: Microtransfer Molding. Advanced Materials. 8, 837-840 (1996).
- Hampton, M. J., Williams, S. S., et al. The Patterning of Sub-500 nm Inorganic Oxide Structures. Advanced Materials. 20, 2667-2673 (2008).
- Bass, J. D., Schaper, C. D., et al. Transfer Molding of Nanoscale Oxides Using Water-Soluble Templates. ACS Nano. 5 (5), 4065-4072 (2011).
- Escarré, J., Nicolay, S., et al. Nanomoulded front ZnO contacts for thin film silicon solar cell applications. Proceedings of the 27th EU-PVSEC, Frankfurt, , (2012).
- Sontheimer, T., Rudigier-Voigt, E., Bockmeyer, M., Klimm, C., Schubert-Bischoff, P., Becker, C., Rech, B. Large-area fabrication of equidistant free-standing Si crystals on nanoimprinted glass. Phys. Status Solidi. RRL. 5, 376-379 (2011).
