Summary
Demonstramos a fabricação de matrizes de periódicos nanocup ouro usando técnicas litográficas coloidais e discutir a importância dos filmes nanoplasmonic.
Abstract
Nos últimos anos, o campo de plasmonics explodiu como pesquisadores demonstraram excitantes aplicações relacionadas com a química e a óptica sensoriamento em combinação com novas técnicas de nanofabricação. Um plasmon é um quantum de oscilação de densidade de carga que empresta a nanoescala metais como ouro e prata exclusivos propriedades óticas. Em particular, nanopartículas de ouro e prata apresentam oscilações de densidade de carga de ressonâncias-coletivo de plasmon de superfície localizadas na superfície de nanopartículas-ao espectro visível. Aqui, focalizamos a fabricação de matrizes periódicas de nanoestruturas plasmônico anisotrópicas. Estas estruturas meia-concha (ou nanocup) podem exibir adicional única luz de flexão e dependente da polarização propriedades ópticas que nanoestruturas isotrópica simples não podem. Os pesquisadores estão interessados na fabricação de matrizes periódicas de nanocups para uma ampla variedade de aplicações, tais como aparelhos ópticos de baixo custo, superfície-enhanced Raman dispersando e indicação da calcadeira. Apresentamos uma técnica escalável baseada em litografia coloidal, em que é possível fabricar facilmente grandes matrizes periódicas de nanocups usando a rotação-revestimento e auto montada nanoesferas poliméricas comercialmente disponíveis. Microscopia eletrônica de varredura e espectroscopia ótica do visível ao infravermelho (infravermelho próximo) foi realizada para confirmar o sucesso nanocup fabricação. Concluímos com uma demonstração da transferência de nanocups para uma película adesiva flexível, conformal.
Introduction
O surgimento de plasmonics em conjunto com técnicas de síntese e nanofabricação melhorada ter trazido sobre uma ampla variedade de tecnologias excitantes tais como sub difração limitada os circuitos, detecção avançada de química ede sensoriamento óptico 1 ,2,3. Neste protocolo, demonstramos uma técnica escalável e de custo relativamente baixo capaz de fabricar nanopatterned plasmônico substratos usando nanoesferas poliméricas comercialmente disponíveis e uma etapa de condicionamento seguido por deposição de metal. Ao contrário de outras técnicas para fabricar nanopatterned de substratos, tais como o elétron feixe litografia4, esta técnica pode rapidamente e eficientemente ser escalada para wafers de 300 mm e além, com o mínimo de esforço e usos uma transferência passo para produzir flexível e conformal filmes5.
Desde a época romana, sabemos que certos metais como ouro e prata podem ter propriedades óticas brilhantes quando são finamente divididos. Hoje, entendemos que estas partículas metálicas apresentam um efeito chamado "ressonância de plasmon de superfície localizada" (LECC), quando suas dimensões se aproxima à escala nanométrica. LECC é análogo a uma onda estacionária, na qual elétrons fracamente ligados, encontrados no metal coerentemente oscilam quando a luz de determinadas frequências ilumina as partículas de metal. Nanoestruturas anisotrópicas são de particular interesse porque ressonâncias ópticas exclusivas podem surgir como resultado de6,7,8da simetria.
A iluminação de estruturas (nanocup) meia-concha com luz pode excitar modos de plasmon de dipolo magnético, dependendo de fatores como o ângulo de deposição do metal, a orientação do substrato em relação a luz incidente, ou dipolo elétrico e a polarização da luz incidente9. Nanocups muitas vezes têm sido considerados análogos ao tridimensionais ressonadores-split-anel, no qual a frequência de ressonância pode aproximadas como um oscilador LC10,11. A frequência de ressonância para o tamanho de nanoesferas poliméricas usados aqui (170 nm), a quantidade de ouro depositado (20 nm), e as taxas de ataque ácido produzem frequências de ressonância, abrangendo o visível e próximo-ir
As propriedades ópticas de nanocups o ouro podem ser medidas em transmissão ou reflexão, dependendo do substrato utilizado para o revestimento de rotação. O protocolo apresentado, escolhemos usar wafers de silício de 2 pol. como substrato e executar medidas de refletância depois da deposição de metal. As medições foram realizadas utilizando um microscópio acoplado a um espectrômetro dispersivo com uma fonte de luz halógena. Também tivemos sucesso com o uso de substratos de vidro, permitindo a transmissão e reflexão medições imediatamente após a deposição de metal. Além disso, esta técnica pode ser facilmente dimensionada e não está limitada a bolachas de 2 pol.. Devido à ampla comercial disponibilidade de nanoesferas poliméricas monodisperso de alta qualidade, é simples para ajustar as propriedades ópticas dessas estruturas, simplesmente iniciando com nanoesferas de diferente tamanhos.
Neste protocolo, uma técnica para fabricar anisotrópico ouro meia-concha (ou nanocup), usando um método chamado litografia coloidal de nanoestruturas é demonstrada. Coloidal litografia usa auto-montagem de altamente monodisperso nanosphere poliméricos para rapidamente padrão de um substrato que pode ser subsequentemente transformado em um substrato plasmônico depois por pulverização catódica, revestimento com uma camada fina de ouro. Da mesma forma, é possível ajustar a anisotropia do substrato pela inclinação do substrato de amostra durante a deposição de metal. As estruturas resultantes são sensíveis à polarização devido a anisotropia do nanostructure formado. Aqui, demonstramos um particular caso e realizar caracterização óptica e decolagem para transferir as estruturas para uma película transparente, flexível.
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Protocol
1. preparação de material
- coloque vários wafers de silício de 2 pol. em um portador de quartzo para limpeza e carregar os wafers de silício para o sistema de condicionamento de plasma. Bomba a câmara de vácuo para baixo até que ele atinja pelo menos 75 mTorr. Isto pode levar alguns minutos.
- Começar o fluxo de gás de O 2 (30 sccm) e permitir que a pressão estabilizar. Defina o tempo de gravar a 15 min. Uma vez que a pressão da câmara se estabilizou iniciar plasma radiofrequência (RF) 13,56 MHz 250 W.
Nota: Este passo limpa os wafers de silício de qualquer orgânica contamina e functionalizes a superfície com hidroxilados (-OH) partes, assegurando assim uma superfície hidrofílica. - Enquanto espera para a limpeza de plasma passo para finalizar, retire as adquiridos comercialmente nanoesferas de poliestireno (170 nm de diâmetro, 10% de sólidos, 0,5% de sódio Dodecil sulfato) da geladeira (4 ° C). Permitir que o contêiner aquecer a temperatura ambiente.
- Brevemente vórtice (1 min) e proceda à sonicação (35 kHz, 1 min), as poliestireno nanoesferas para minimizar a aglomeração nanosphere.
- Dentro de um frasco de vidro limpo, medir 1,0 mL das nanoesferas de poliestireno 170 nm e adicionar 1,0 mL de H 2 O para obter uma suspensão coloidal de 5% de sólidos.
- Depois de 15 min, interromper o fluxo de O 2, ventilar a câmara de vácuo e retire as bolachas recém limpas.
2. Rotação-revestimento de poliestireno nanoesferas modelo
- descarregar o silício limpo bolachas do gravador de plasma. Em seguida, monte um wafer de 2 pol. para o spin-revestidor. Certifique-se de que está bem centrada e que o-Ring está livre de quaisquer detritos. Iniciar o aspirador e certifique-se de que a hóstia está bem presa ao palco.
- Definir os parâmetros de rotação de camada a rotação. Esses parâmetros variam com base no tamanho nanosphere. Para uma solução de 5% 170 nm nanoesferas, definir a rotação-aplicador para um processo de 1 passo com um tempo de 1 min, uma velocidade de 3.000 rpm e uma aceleração de 2.000 rpm/s.
- Usando uma seringa descartável, retirar ~ 1 mL de suspensão coloidal do frasco. Reserve o frasco. Pegue um filtro de seringa 5 µm e coloque-o na extremidade da seringa. Pressione a seringa até que uma gota de suspensão limpa a ponta. O filtro remove indesejáveis agregados e partículas que pode reduzir significativamente a qualidade do filme.
- Depósito suficiente suspensão diretamente no centro do wafer tal que aproximadamente 2/3 da superfície é coberta. Tente minimizar bolhas porque aqueles podem afetar a qualidade do filme. Feche a tampa do aplicador de rotação e pressione Iniciar. Durante esse processo, é possível ver os efeitos de interferência de película fina na superfície do wafer como as nanoesferas auto-montagem. Isso irá variar com base no diâmetro nanosphere.
- Remover a bolacha revestido de rotação depois de desactivar o vácuo. Limpe a bacia e a tampa da rotação-aplicador para remover o excesso nanoesferas.
3. Avaliação da qualidade e preparação para a gravura de cinema
- visualmente para avaliar a qualidade do filme Self montado pela procura de defeitos visíveis como listras ou furos que podem ter sido causados por partículas durante o processo de rotação-revestimento.
- Para avaliar a qualidade do filme, colocando a bolacha debaixo de um microscópio óptico. Limites de grão e alguns defeitos são normais. Se a bolacha tem grandes áreas sem revestimento ou multicamadas óbvias, é necessário ajustar os parâmetros de rotação para obter um filme mais uniforme. Microscopia eletrônica também pode ser utilizada para avaliar a qualidade do filme.
- Ligar a fonte de luz para o microscópio e o foco para a superfície da bolacha de silício usando um objectivo X 20. Avaliar a qualidade em vários pontos durante todo o wafer de garantir uniformidade.
- a qualidade do filme final verificar é a utilização de microscopia eletrônica de varredura (SEM) para visualizar o nanosphere auto-montagem em nanoescala. É possível avaliar o grau de multicamadas, buracos e limites de grão/defeitos em pequenas porções de wafer relativamente rapidamente usando esta técnica.
- , Uma vez que se obteve um filme suficiente, coloque a bolacha dentro de um forno (107 ° C) por 2 min recozer as nanoesferas Self montadas. Isso ajuda a incentivar a adesão ao substrato e produz uma superfície de nanopatterned melhor após condicionamento.
4. Gravura, deposição de Metal e caracterização óptica
- carregar o wafer recozido para o gravador de plasma e iniciar a bomba abaixo processo.
- , Uma vez que a câmara de vácuo atinge pelo menos 75 mTorr, começar o fluxo de gás de O 2 (20 sccm) e aguarde a pressão estabilizar. Iniciar o plasma RF (75 W) para 165 s.
- Quando estiver concluído o ciclo de plasma RF, interromper o fluxo de O 2 e a câmara de ventilação.
- o substrato está gravada e pronta para a deposição de metal. Transporte da amostra para um sputter coater e depositar uma fina (20 nm) camada de ouro. Variando de ângulos de deposição pode ser usado para alterar as propriedades ópticas do nanocups. Neste caso, a deposição de metais normalmente incidente ao substrato foi realizada.
- Após a deposição de metais, o substrato pode ser caracterizado usando espectroscopia óptica. Concentre-se a microspectrophotometer sobre a superfície do substrato metalizado e medir os espectros de reflectância. Para 170 nm gravado nanosphere matrizes, o LECC foi no 615 nm.
- Usando fita de adesivo sensível à pressão, coloque delicadamente o filme em contacto com o substrato. Pode ser necessário remover quaisquer bolhas de ar que se formou na interface usando uma pinça.
- , Uma vez que a fita está em contacto com o substrato, a fita pode ser imediatamente descascada para remover o nanocups da superfície do substrato. Delicadamente a casca volta a fita e o resultado é uma película flexível e conformal de ouro nanocups.
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Representative Results
Nanocups de ouro foram preparadas usando 170 nm de diâmetro nanoesferas poliestireno. Após recozimento por 2 min a 107 ° C e gravura com um 75 W, 20 sccm O2 plasma para 165 s, o filme resultante foi caracterizado usando SEM (Figura 1). Para avaliar a qualidade do filme girar-fundido, óptica microscopia-além de inspeção visual-maio ser usado (Figura 2). Filmes de alta qualidade devem ser essencialmente livres de defeitos. Limites de grão são tipicamente observados mesmo em filmes de alta qualidade, mas com cuidadosa atenção aos detalhes, é possível eliminar quase ponto de defeitos. Deposição de 20 nm de ouro usando revestimento por pulverização catódica resultou em um filme de plasmonically-ativo e caracterizou-se usando espectroscopia de reflectância óptica (Figura 3). O filme plasmônico foi transferido do substrato de silício rígida para um filme flexível, usando a fita adesiva de comumente disponível. A fita foi colocada em contacto com o filme plasmonically-ativo e poderão aderir ao filme por 1 min. A fita então foi gentilmente retirada o substrato, resultando em uma transferência de nanocups o ouro para o filme (Figura 4).
Figura 1 : Representante de varredura electron micrografias de nanostructures auto-montados fabricados usando uma litografia coloidal. (um) Self-assembled monolayer de uma típica matriz de poliestireno nanoesferas antes gravura, (b) periodicamente espaçados nanoesferas poliestireno após recozimento e decapagem (75 W, 20 sccm O2 para 165 s) e (c) periodicamente espaçados ouro nanocups com 20 nm de ouro (Au) depositado em uma incidência normal no que diz respeito ao substrato. Barra de escala: 100 nm. Ampliação: 100 kX. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Microscopia óptica de filmes Self montados para avaliar a qualidade de. (um) filme com monocamada de boa cobertura e mínimos defeitos. Limites de grão são observados com furos e defeitos mínimos. (b) filme composto por regiões monocamada e multicamadas. (c) filme com defeitos principais e cobertura incompleta monocamada. Barra de escala: 20 µm. ampliação: 20 X. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Caracterização de reflectância óptica da matriz fabricada de ouro nanocup. Espectros de reflectância óptica mostrando uma forte ressonância plasmônico no ~ 615 nm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Resultante de filme flexível, transparente após peeling de ouro nanocups de bolacha sacrificial do silício (Si). (a) esquema do procedimento de decolagem. (b) imagem de óptica do filme pelado. (c) fotografia focada passado o filme para demonstrar a transparência. (d) transmissão óptica representante espectros de um filme após a decolagem. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Este protocolo demonstra uma técnica eficiente e de baixo custo para a fabricação de matrizes periódicas de plasmônico nanocups ouro. Esta técnica é particularmente vantajosa porque evita série descendente processos tais como litografia de feixe de elétrons ou feixe de íon focalizado de trituração. A técnica apresentada mostra que nanoesferas poliméricas comercialmente disponíveis podem ser montadas self de uma maneira simples para servir como um modelo de tamanho nano para processamento adicional.
Modificações e solução de problemas:
Se a qualidade do filme é pobre, pode ser necessário para pré-filtrar a solução nanosphere. Aqui, usamos um filtro de seringa 5 µm, mas pode ser vantajoso usar filtros seringa até 0,22 µm, dependendo do diâmetro nanosphere. O processo de gravação pode ser ajustado para obter a resposta desejada de óptica. A qualidade do etch deve ser avaliada usando SEM assegurar não tocar e uniformemente espaçadas nanoesferas poliméricas. Uma vez que os parâmetros do etch foram estabelecidos para um determinado sistema, é possível fabricar reproducibly vários discos (wafers), em um lote com ressonâncias de plasmon semelhante. Deposição de metais em diferentes ângulos irá sintonizar anisotrópica propriedades óticas do nanocup.
Passos críticos:
As nanoesferas devem ser devidamente armazenadas e manipuladas para conseguir os filmes de alta qualidade. Permita as nanoesferas aquecer a temperatura ambiente e brevemente seguido por sonication para ajudar a garantir monodisperso nanoesferas de vórtice. O substrato de silício deve ser plasma limpos e utilizados imediatamente para assegurar uma superfície altamente hidrofílica. Finalmente, o filme Self montado deve ambos ser inspecionado pelo olho, bem como através de microscopia óptica. Defeitos mínimos devem ser observados, caso contrário, será necessário adaptar as condições de rotação.
Limitações:
Esta é uma técnica altamente escalável, mas ele tem várias limitações que devem ser mantidas em mente. O processo Self-assembly é excelente em produzir grandes matrizes de nanoesferas, mas é um desafio para fabricar nanoestruturas com anisotropia tridimensional. Nanoestruturas complexas são melhor fabricadas por litografia de feixe de elétrons ou feixe de íon focalizado de trituração. Essas nanoestruturas, no entanto, não se adapta bem e são extremamente caras fabricar.
Em geral, este protocolo demonstra como fabricar filmes nanoplasmonic. Nanoplasmonic filmes têm uma variedade de aplicações em áreas como materiais de óptica não-linear7, energia fotovoltaica12e luz emitindo diodos13.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Esta pesquisa foi realizada no laboratório nacional Noroeste Pacífico (PNNL), que é operado pelo Battelle Memorial Institute para o departamento de energia (DOE) sob o n º do contrato DE-AC05-76RL01830. Os autores reconhecem com gratidão apoio do departamento de estado dos EUA, através do fundo de ativos de verificação chave (V fundo) sob SIAA15AVCVPO10 de acordo interinstitucional.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polystyrene microspheres | Bangs Laboratories, Inc. | PS02N | 170 nm – 580 nm diameter |
| Silicon wafers | El-CAT, Inc. | 3489 | 300 mm thick, one side polished [100] |
| Adhesive tape | 3M | Scotch 600 | |
| Spin coater | Laurell | WS-650-23B | |
| Plasma etcher | Nordson March | AP-600 | |
| Microspectrophotometer | CRAIC | 380-PV | |
| Sonicator | VWR | 97043-932 | |
| Scintillation vials | Wheaton | 986734 | |
| 5 um syringe filter | Millex | SLSV025LS | |
| Oxygen gas | Oxarc | PO249 | Industrial Grade 99.5% purity |
| Vaccum pump | Kurt J. Lesker | Edwards 28 | |
| Disposable syringes | Air Tite Products Co. | 14-817-25 | 1 mL capacity |
| Water | Sigma-Aldrich | W4502 |
References
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