Summary
Wir beschreiben eine nanomoulding Technik, die Low-Cost-nanoskalige Strukturierung funktionaler Materialien, Materialien Stacks und voller Geräten ermöglicht. Nanomoulding kann auf jedem Nanoimprinting Setup durchgeführt werden und kann auf eine Vielzahl von Materialien und Abscheidungsverfahren aufgebracht werden.
Abstract
Wir beschreiben eine nanomoulding Technik, die Low-Cost-nanoskalige Strukturierung funktionaler Materialien, Materialien Stacks und voller Geräten ermöglicht. Nanomoulding mit Layer Übertragung kombiniert ermöglicht die Replikation von beliebigen Oberflächenstrukturen von einem Master-Struktur auf die funktionelle Material. Nanomoulding kann auf jedem Nanoimprinting Setup durchgeführt werden und kann auf eine Vielzahl von Materialien und Abscheidungsverfahren aufgebracht werden. Insbesondere zeigen wir die Herstellung von gemusterten transparenten Zink-Oxid-Elektroden für Licht Trapping Anwendungen in Solarzellen.
Introduction
Nanostrukturierung hat enorme Bedeutung in vielen Bereichen der Nanotechnologie und angewandte Wissenschaften gewonnen. Pattern Generation ist der erste Schritt und kann durch Top-down-Ansätze wie Elektronenstrahl-Lithographie oder Bottom-up-Ansätze auf self-assembly Methoden wie Nanokugel Lithographie oder Blockcopolymer-Lithographie ein Basis erreicht werden. Ebenso wichtig wie Pattern Generation ist Muster-Replikation. Neben Photolithographie hat Nanoimprinting (Abbildung 1) als eine vielversprechende Alternative insbesondere für High-Throughput großflächige nanoskalige Strukturierung bei niedrigen Kosten 2-4 entstanden. Während Photolithographie erfordert eine strukturierte Maske setzt Nanoimprint auf einem vorgefertigten Master-Struktur. Musterübertragung von der Master wird allgemein in ein thermoplastisches oder ein UV-oder thermisch härtbaren Polymer durchgeführt. Jedoch gibt es viele Fälle, wo es wünschenswert ist, um das Muster direkt auf eine funktionelle Material zu übertragen.
<p class = "jove_content"> Hier beschreiben wir eine Replikation Methode nanomoulding und Layer Transfer (Abbildung 2), die wir vor kurzem in Ref eingeführt wurde. 5 bis nanoskaligen Mustern auf funktionale Zink-Oxid-Elektroden übertragen. Unsere nanomoulding Methode kann leicht implementiert werden, wenn ein Nanoimprinting Setup zur Verfügung. Nanomoulding bietet die Möglichkeit, generalisiert werden, um viele andere funktionelle Materialien, Materialien Stapeln und sogar komplette Geräte, vorausgesetzt, dass das Formmaterial gewählt wird, dass es kompatibel mit dem Materialabscheidungs-Prozess (en) ist. Als Beispiel sei hier vorliegenden nanomoulding aus transparentem leitfähigem Zinkoxid (ZnO)-Elektroden abgeschieden durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), die ihre Anwendung auf Lichteinfang in Solarzellen 5 erweitern finden.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Ein. Mould Fabrication
Wir nutzen unsere selbst gebaute Nanoimprinting Setup für die Herstellung der Negativform folgenden Ref. 6, aber keine Alternative Nanoimprinting Setup wird gut funktionieren. Alternativ kann ein funktionalisiertes Polydimethylsiloxan (PDMS) Form könnte auch funktionieren.
- Herzustellen oder kaufen ein geeigneten Master trägt die nanoskaligen Muster übertragen werden. Im Prinzip wird jeder Master für Nanoimprint die Arbeit machen. Wir verwenden ein texturiertes ZnO-Schicht auf einer Glasscheibe (Schott, AF32 Eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) abgeschieden, wie in 3.1 als Masterstruktur beschrieben, um das Verfahren zu illustrieren.
- Anwenden einer Anti-Haft-Schicht auf dem Master-Struktur wie in 2 beschrieben.
- Reinigen eine Polyethylennaphtalat (PEN)-Folie (Goodfellow, 82 mm x 41 mm x 0,125 mm) in einem Ultraschall Acetonbad für 2 min mit einem Ultraschall-Isopropanol-Bad für weitere 2 min folgte. Spülen Sie noch einmal mit Isopropanol und föhnen mit Stickstoff.
- Kaution einer gesputterten Cr Haftschicht (5-10 nm) auf dem PEN Blatt.
- Spin-Beschichtung der UV-härtbaren Harz (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) auf die PEN Blechs bei 5000 rpm, um eine gleichmäßige Abdeckung.
- Durchführen einer Prebake für 5 min auf einer Heizplatte bei 80 ° C, um das Lösungsmittel zu verdampfen, verbessern Filmgleichförmigkeit und Haftung auf dem PEN Blatt.
- Verwenden Sie Ihre Nanoimprinting Setup, um die Grundmuster in den UV-härtbare Harz zu stempeln. Obwohl nicht zwingend erforderlich, führen wir unter Vakuum Stanzen zu sprudeln Einschlüsse durch Aufbringen einer homogenen Druck von 1 bar auf eine flexible Silikonmembran verhindern. In unserem Aufbau trennt der Silikonmembran die Vakuumkammer in zwei Sub-Kompartimenten. Druck wird durch Belüften des oberen Abteil erzeugt wird, während das untere Abteil unter Vakuum verbleibt. Venting drückt die flexible Membran in Richtung der unteren Einleitung des Prägung.
- Setzen des Harzes mit UV-Licht, um die Vernetzungsreaktion des Harzes zu provozieren. Wir wenden eine moderate LichtIntensität von 1,4 mW / cm 2 bei einer Wellenlänge von 365 nm von mehreren LEDs versehen ist. Belichtungszeit durch den PEN Blatt ist in der Regel 15-20 min.
- Sorgfältig von Hand Peeling die Form aus dem Master-Struktur entformt.
- Da das Harz kann unterziehen leichte Schrumpfung während der Abscheidung des funktionellen Materials, was zu spontanen Peeling, führen wir eine milde thermische Nachbehandlung im Ofen bei 150 ° C während 6-8 Stunden in einem Ofen mit Umgebungsatmosphäre vor der Weiterverarbeitung führen kann.
2. Antihaftschicht
Für eine erfolgreiche Entformung, muss die Anti-Haft-Schicht auf den Materialien und dem Muster Rauhigkeit angepasst werden. Generell grobe Muster erfordern niedrige Haftkoeffizienten. Geringe Haftkoeffizienten auf glatten Muster können zum Ablösen der funktionellen Materials aus der Form führen. Hohe Haftkoeffizienten auf rauhen Muster können in Abschälen des Harzes aus dem PEN Blattes während Formenbau als adheren führence des Harzes an den Master ist stärker.
- Mantel die Form (oder Master) mit einer gesputterten Chromschicht (5-10 nm), um die Haftung der Antiadhäsionsmittel fördern. Für glatte Muster, die wir nun diesen Schritt. In einigen Fällen kann die Chromschicht verhindern Antiadhäsionsmittel zum Ätzen der Masterstruktur.
- Anwenden einer kleinen Tropfen Antiadhäsionsmittel (Sigma-Aldrich, (1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyl)-Trichlorsilan) auf einen Objektträger. Legen Sie die Objektträger aus Glas zusammen mit der Form in eine Vakuumkammer und abpumpen. Die Anti-Haft-Mittel verdampft und abzuscheiden als molekulare Monoschicht auf der Form.
- Anker das Antiadhäsionsmittel durch Temperung während 1-2 Stunden bei 80 ° C.
3. Material Deposition
Wir zeigen hier drei Abscheideverfahren für Materialabscheidung die Vielseitigkeit nanomoulding illustrieren. Andere Techniken können auch Abscheidung aufgebracht werden. Das dritte Beispiel beschreibt die faschmierung einer kompletten Silizium-Dünnschicht-Solarzelle.
- Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) von Zinkoxid: Setzen der Form auf die Heizplatte des CVD-Reaktors auf 180 ° C. Verwenden Sie einen Metallrahmen zu vermeiden Biegung des PEN Form während ZnO Abscheidung. Schließen Sie den Reaktor abpumpen und ermöglichen Thermalisierung. Zugeben, die Precursorgase (H 2 O und (C 2 H 5) 2 Zn). Darüber hinaus haben wir Dosis geringe Mengen an B 2 H 6 zum Dotieren. Der ZnO-Schichtdicke ist proportional zur Abscheidungszeit. Wir verwenden ZnO Schichtdicken von typischerweise 1-5 um. Details zu typischen Ablagerungen Parameter können in Ref gefunden werden. 7
- Physical Vapour Deposition (PVD) / Sputtern von Silber: Legen Sie die Form, in der PVD-Anlage. Schließen Sie das System und abpumpen. Zugeben, Argon Prozessgas. Schalten Sie den DC-Generator. Die Ag Schichtdicke ist wieder proportional zur Abscheidung Zeit. Wir verwenden Ag Schichtdicken von typischerweise 1 um. Typische Abscheidung parameter sind ein Argondruck von 5.5x10 -3 mbar und einem spezifischen Setup Gleichstromquelle von 250 W Ausbildung einer Abscheidungsrate von etwa 45 nm / sec.
- Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PE-CVD): Deposit ZnO nach 3.1). Setz der Form in dem PE-CVD-Reaktor auf 200 ° C. Schließen Sie den Reaktor abpumpen und ermöglichen Thermalisierung. Zugeben, die Precursorgase (SiH 4 und H 2). Darüber hinaus haben wir Dosierung kleiner Mengen von B (CH 3) 3 und PH 3 zu p-und n-Dotierung bzw. erreichen. Um die Leerlaufspannung der Solarzellen zu erhöhen, verwenden wir auch geringe Mengen an CH 4 und CO 2 für die dotierten Schichten. Nach der Abscheidung des Stiftes amorphe Silizium-Solarzelle Stapel, hinterlegen wir eine ZnO backcontact wie in 3.1 beschrieben.
- Vermeiden Überbiegen der Form, wie Biegen kann zu Abschälen der abgeschiedenen Schicht.
4. Übertragen Schicht
Wir verwenden Glass Dias (Schott AF32 eco, 41 mm x 41 mm x 0,5 mm) als endgültige Substrat. Aber auch andere Substrate, einschließlich Metallfolien oder Polymerfolien, könnten alternativ verwendet werden.
- Saubere Glas-Objektträger mit Aceton und Isopropanol und Föhnen mit Stickstoff.
- Spin-Coat-UV-härtbaren Harz (Microresist, Ormocer, 1-2 ml) auf dem Glasträger bei 5.000 Umdrehungen pro Minute.
- Verwenden Sie Ihre Nanoimprinting Setup, um die Form der Durchführung der abgeschiedenen Schichten auf das endgültige Substrat zu verankern. Wie zum Stanzen, führen wir unter Vakuum Verankerung durch Aufbringen einer homogenen Druck von 1 bar.
- Setzen des Harzes mit UV-Licht, um die Vernetzungsreaktion auszulösen. Wir wenden ein mittlerer Intensität von 1,4 mW / cm 2 bei einer Wellenlänge von 365 nm von mehreren LEDs versehen ist. Belichtungszeit durch den Glasträger ist nur 1-3 min aufgrund der höheren UV-Durchlässigkeit des Glases im Vergleich zu PEN.
- Entformen durch manuelles Abziehen der Form aus dem Glasträger.
5. Beispiel Charakterisierung
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Representative Results
Abbildung 3 fasst einige anschauliche Beispiele für nanomoulded Strukturen. Eine ZnO Masterstruktur durch CVD auf Glas gezogen wird in (a) gezeigt. Die entsprechende nanomoulded ZnO Replik ist in (d) gezeigt. Vergleich der lokalen Höhe (g) und des Winkels (j) Histogramme von AFM-Bilder extrahiert offenbaren die hohe Wiedergabetreue des nanomoulding Prozess. Analoge Ergebnisse werden für ein eindimensionales Gitter durch Interferenz-Lithographie (b, e, h, k) und anodisch strukturierten Aluminium (c, f, i, l) hergestellt gezeigt.
Abbildung 1. Standard Nanoimprint Prozess, bestehend aus negativen Stempel Fertigung (ad) und der Nanoimprint Prozess (eh).
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Abbildung 2. Nanomoulding Verfahren, bestehend aus der Herstellung Negativform (ad), Abscheidung des funktionellen Materials (E), der Verankerung auf das Endsubstrat (fg). Beachten Sie, dass das Verfahren nanomoulding konzeptionell ähnelt dem Nanoimprinting Prozess in Abbildung 1, mit Ausnahme des zusätzlichen Materials Abscheidungsschritt (e).
Abbildung 3 zeigt repräsentative Ergebnisse von nanomoulding erhalten:. REM-Aufnahmen mit AFM-Bilder in der Einfügung von drei Master Teststrukturen für nanomoulding: ZnO durch CVD (a), Gitter durch Interferenz-Lithographie hergestellt gezüchtet (b), Grübchen Array durch anodische Oxidation von Aluminium erhalten (c). Die corresponden nanomoulded ZnO Repliken sind in (df) dargestellt. Fidelity-Analyse vergleicht die lokale Höhe (gi) und Winkel (jl) Histogramme von Master und Replikat Strukturen (schwarze durchgezogene Linien stellen die Herren, rot-gestrichelte Linien die Repliken). Der Balken in Abbildung 3a gilt auch für Abbildung 3b-f einschließlich aller AFM Einsätzen.
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Discussion
Nanomoulding ermöglicht die Übertragung von Nanostrukturen auf beliebigen funktionellen Materialien. Vergleich der einzelnen Verarbeitungsschritte in Abbildung 1 und 2 zeigt die enge Beziehung zwischen nanomoulding und Nanoimprinting. Der Hauptunterschied zwischen nanomoulding und Nanoimprinting ist das zusätzliche Material Abscheidungsschritt in 2E. Der verbleibende Prozessablauf ist identisch. Nanomoulding kann daher auf jedem verfügbaren Nanoimprinting Setup durchgeführt werden.
Sofern eine kompatible Formmaterial und Antiadhäsionsmittel ausgewählt wird, kann Materialabscheidung durchgeführt werden unter Verwendung verschiedener Verfahren, wie die Familie von chemischen und physikalischen Dampfabscheidungsverfahren, thermische Verdampfung, sondern auch auf Lösung basierenden Abscheidung Ansätze. Entsprechend breit ist das Spektrum der Materialien, die nanomoulded werden können. Während Nanoimprinting in eine verformbare Polymer durchgeführt wird, kann auch nanomouldingangewendet harten Zügel Materialien wie ZnO. Darüber hinaus, während gemeinsamen Nanoimprinting Harze isolierend sind, können leitende Materialien strukturiert werden.
Für Abscheidungstechniken Erreichen erhöhten Temperaturen kann die PEN Blatt nach Formträgers eingesetzt mittels Hochleistungs Polyimidfolie (wie DuPont Kapton PV9202 die Temperaturen unterstützt bis zu 500 ° C) ersetzt. Hochtemperatur Nanoimprinting Harze wurden auch entwickelt, Temperaturen bis zu 600 ° C 12.
Ein wesentlicher Vorteil unserer nanomoulding Technik ist, dass das Material auf die Form als ein fester Film abgeschieden werden. Verglichen mit Sol-Gel-basierten Prägung oder Formen 8, 9 Techniken, wobei die Vorläufer eine funktionelle Material in einem Lösungsmittel verdünnt werden, vermeidet unserem Ansatz nanomoulding typischen Probleme mit Lösungsmittelverdampfung, Aushärtung und Calcinierung wie Schrumpf und die Bildung von Poren verbunden sind, Blasen und Risse.
Nach Materialabscheidung, muss die flexible Form vorsichtig gehandhabt werden, um Rissbildungen oder lokalen Abschälen des Materials zu verhindern. Das PEN Blechdicke eingestellt werden, um versehentliches Verbiegen der Form jenseits des kritischen Krümmungsradius für Rissbildung zu vermeiden. Jedoch ist eine gewisse Flexibilität Gießform für die Entformung Prozess erforderlich.
ZnO abgeschieden durch CVD in dieser Studie führt zu einem High-Fidelity-Replikation des Urmodells. Abbildung 3a zeigt eine REM-Aufnahme von einer as-grown ZnO Master Textur. Die entsprechende nanomoulded Replikat wird in 3D gezeigt. Höhe und Winkel Histogramme aus den AFM-Aufnahmen für den Master und Replik ZnO-Struktur in Abbildung 3g und j gezeigt, extrahiert bzw. fast überein und bestätigen die hohe Wiedergabetreue. Der Winkel Histogramms, die sehr viel empfindlicher auf subtile morphologischen Veränderungen als die Höhe Histogramm ist, weist alsLicht Verschiebung hin zu niedrigeren Winkel für die Replik. Dieser Trend wird auch für die beiden anderen Teststrukturen beobachtet und stellt eine leichte Glättung der Funktionen. Allerdings sind auch sehr feine Details wie feine echte Kristallversetzungen Linien entlang den Facetten der ZnO Pyramiden mit hoher Genauigkeit reproduziert und geben eine grobe Vorstellung von dem Auflösungsvermögen unserer nanomoulding Technik. Feinen Modulationen entlang der Ränder der Liniengitter in Abbildung 3b sind auch in der Replik Abbildung 3e. Während die dominante morphologischen Merkmale gut für die Vertiefung Muster reproduziert werden, sind nur der Beginn der scharfen Spitzen auftretenden Domänengrenzen in Abbildung 3c in Abbildung 3f repliziert. Pattern Treue und Auflösung sowohl auf der abgeschiedenen Materials abhängen. Vorversuche mit nanomoulded silber Filme, durch Sputtern abgeschieden, reproduziert die dominanten morphologischen Merkmalen, führen aber zu einem viel niedrigeren Treue und resoLösung.
Die erreichbare Aspektverhältnis hängt von der Abscheidungstechnik. CVD ZnO können leicht für Aspektverhältnissen bis zur Einheit. Für Aspektverhältnisse über Eins, wird eine Erschöpfung der Vorläufergase in den Tälern der Struktur zu einer schnelleren Wachstumsrate oben erhaltene schließlich in Abschattung und gegebenenfalls die Aufnahme von Hohlräumen in der Konstruktion führen. Diese Hohlräume riskieren Beeinträchtigung der mechanischen Integrität des Films und potenziell zur Brechen des Films beim Entformen führen. Diese Probleme könnten vermieden werden wasserlösliche Formen wie kürzlich in Lit. werden. 10 im Rahmen der Transfer-Molding.
Wie in der Einleitung erwähnt, können auch Muster nanomoulding Verbundschicht Stacks und vollständige Vorrichtungen verwendet werden. In Ref. 11 kombinierten wir die Abscheidung von ZnO durch CVD mit der Abscheidung einer vollen Silizium-Dünnschicht-Solarzelle durch PE-CVD, und transferiert die komplette Solarzelle auf ihrer Endsubstrat.
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Disclosures
Keine Interessenskonflikte erklärt.
Acknowledgments
Die Autoren danken M. Leboeuf für die Unterstützung bei der AFM, W. Lee für die anodisch strukturierten Aluminium-Master und dem Schweizer Bundesamt für Energie und der Schweizerischen National Science Foundation für die Finanzierung. Ein Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen des FP7-Projekt "Fast Track" von der EG im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung keine 283501 finanziert durchgeführt.
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
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