Tillverkning av periodiska guld Nanocup matriser använder kolloidalt litografi
Summary
Vi visar tillverkning av periodiska guld nanocup matriser med kolloidal litografiska tekniker och diskutera betydelsen av nanoplasmonic filmer.
Abstract
Inom senaste åren har området för plasmonik exploderade som forskare har visat spännande applikationer relaterade till kemiska och optiska sensorer i kombination med nya närfältsmikroskop tekniker. En plasmon är en quantum av laddningstätheten svängningen som lånar nanoskala metaller som guld och silver unika optiska egenskaper. I synnerhet uppvisar guld och silver nanopartiklar lokaliserade ytan plasmon resonanser-kollektiv laddningstätheten svängningar på ytan av den nanopartikel-i det synliga spektrumet. Här fokuserar vi på tillverkning av periodiska matriser av anisotropisk plasmoniska nanostrukturer. Dessa halv-skal (eller nanocup) strukturer kan uppvisa ytterligare unika ljus-bockning och polarisering beroende av optiska egenskaper som enkla isotropiskt nanostrukturer kan inte. Forskare är intresserad av tillverkning av periodiska matriser av nanocups för en mängd olika applikationer såsom låg kostnad optiska enheter, surface-förbättrade Raman spridning och manipulera indikation. Vi presenterar en skalbar teknik utifrån kolloidal litografi där det är möjligt att enkelt tillverka stora periodiska matriser av nanocups använder spin-beläggning och själv monterade kommersiellt tillgängliga polymera nanospheres. Elektronmikroskopi och optisk spektroskopi från den synliga för infrarött (nära-IR) utfördes för att bekräfta framgångsrika nanocup tillverkning. Vi avslutar med en demonstration av överföring av nanocups till en flexibel, conformal självhäftande film.
Introduction
Uppkomsten av plasmonik tillsammans med förbättrad närfältsmikroskop och syntes tekniker har medfört ett brett utbud av spännande teknik som sub diffraktion begränsad circuity, förbättrad kemisk upptäckt och optisk fjärranalys1 ,2,3. I detta protokoll visar vi en skalbar och relativt billig teknik kan fabricera nanopatterned plasmoniska substrat med hjälp av kommersiellt tillgängliga polymera nanospheres och en etsning steg följt av metall nedfall. Till skillnad från andra tekniker för att tillverka nanopatterned substrat, såsom electron beam litografi4, denna teknik kan snabbt och effektivt skalas till 300 mm wafers och bortom med minimal ansträngning och använder en överföring steg för att producera flexibla och conformal filmer5.
Vi vet sedan romartiden, att vissa metaller som guld och silver kan ha lysande optiska egenskaper när de är finfördelat. Idag, vi förstår att dessa metall partiklar uppvisar en effekt som kallas den ”lokaliserad ytan plasmon resonans” (LSPR) när deras dimensioner närmar nanonivå. LSPR är jämförbar med en stående våg som svagt bundna elektroner hittade i metall pendlar konsekvent när tänds av vissa frekvenser av metallpartiklar. Anisotrop nanostrukturer är av särskilt intresse eftersom unika optiska resonanser kan uppstå till följd av symmetri bryta6,7,8.
Belysning av halv-shell (nanocup) strukturer med ljus kan excitera elektriska dipol eller magnetiskt dipole plasmon lägen, beroende på faktorer såsom nedfall vinkeln av metall, orienteringen av underlaget med avseende på det infallande ljuset, och polarisering av infallande ljus9. Nanocups har ofta ansetts vara analogt med tredimensionella split-ring resonatorer, där resonansfrekvensen kan approximeras som en LC-oscillator10,11. Resonansfrekvensen för storleken på polymera nanospheres används här (170 nm), mängden deponerade guld (20 nm), och de etch priserna ger resonansfrekvenser som spänner över det synliga och nära-IR.
Den guld nanocups optiska egenskaper kan mätas antingen i transmission eller reflexion, beroende på det substrat som används för spin-beläggning. I protokollet presenteras valde vi att använda 2 tum kiselskivor som substrat och utföra reflektans mätningar efter metall nedfall. Mätningarna utfördes med Mikroskop kopplat till en energidispersiv spektrometer med en halogen ljuskälla. Vi har också haft framgång med glas substrat, vilket möjliggör både transmission och reflektion mätningar omedelbart efter metall nedfall. Dessutom denna teknik kan enkelt skalas och är inte begränsad till 2 tum wafers. På grund av den breda kommersiella tillgången till högkvalitativ monodisperse polymera nanospheres är det enkelt att finjustera de optiska egenskaperna av dessa strukturer genom att helt enkelt börja med olika stora nanospheres.
I detta protokoll, en teknik för att tillverka Anisotrop halv-skal (eller nanocup) guld nanostrukturer med en metod som kallas kolloidal litografi demonstreras. Kolloidalt litografi använder självmontering av mycket monodisperse polymera nanosphere att snabbt mönstret ett substrat som kan bearbetas ytterligare till ett plasmoniska substrat efter fräsande beläggning ett tunt lager av guld. Likaså är det möjligt att justera anisotropin av substratet genom att luta prov substratet under metall nedfall. De resulterande strukturerna är polarisering-känsliga på grund av anisotropin av bildade nanostrukturen. Här visar vi ett särskilt fall och utföra optisk karakterisering och lyft att överföra strukturer till en öppen, flexibel film.
Protocol
Representative Results
Discussion
Detta protokoll visar en billig och effektiv teknik för att tillverka periodiska matriser av plasmoniska guld nanocups. Denna teknik är särskilt fördelaktig eftersom man därigenom undviker seriell top-down processer såsom electron beam litografi eller fokuserad ion beam fräsning. Presenterade tekniken visar att kommersiellt tillgängliga polymera nanospheres kan monteras själv på ett enkelt sätt att tjäna som nano-storlek mall för vidare bearbetning.
Modifieringar och fels?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna forskning utfördes på den nordvästra nationella laboratoriet (PNNL), som drivs av Battelle Memorial Institute för Department of Energy (DOE) under Kontraktsnr DE-AC05-76RL01830. Författarna erkänner tacksamt stöd från US Department of State genom den nyckel kontroll tillgångar fonden (V) under institutionsöverskridande avtal SIAA15AVCVPO10.
Materials
| 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
- Fang, Y., Sun, M. Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits. Light Sci Appl. 4, e294 (2015).
- Li, J. F., Anema, J. R., Wandlowski, T., Tian, Z. Q. Dielectric shell isolated and graphene shell isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopies and their applications. Chemical Society Reviews. 44 (23), 8399-8409 (2015).
- Wang, L., et al. Large Area Plasmonic Color Palettes with Expanded Gamut Using Colloidal Self-Assembly. ACS Photonics. , (2016).
- Taylor, A. B., Michaux, P., Mohsin, A. S. M., Chon, J. W. M. Electron-beam lithography of plasmonic nanorod arrays for multilayered optical storage. Optics Express. 22 (11), 13234-13243 (2014).
- Endo, H., Mochizuki, Y., Tamura, M., Kawai, T. Fabrication and Functionalization of Periodically Aligned Metallic Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography with a Sinusoidally Wrinkled Substrate. Langmuir. 29 (48), 15058-15064 (2013).
- Wang, H., et al. Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (29), 10856-10860 (2006).
- Wollet, L., et al. Plasmon hybridization in stacked metallic nanocups. Optical Materials Express. 2 (10), 1384-1390 (2012).
- Duempelmann, L., Casari, D., Luu-Dinh, A., Gallinet, B., Novotny, L. Color Rendering Plasmonic Aluminum Substrates with Angular Symmetry Breaking. ACS Nano. 9 (12), 12383-12391 (2015).
- King, N. S., et al. Angle- and Spectral-Dependent Light Scattering from Plasmonic Nanocups. ACS Nano. 5 (9), 7254-7262 (2011).
- Mirin, N. A., Halas, N. J. Light-Bending Nanoparticles. Nano Letters. 9 (3), 1255-1259 (2009).
- Eggleston, M. S., Messer, K., Zhang, L., Yablonovitch, E., Wu, M. C. Optical antenna enhanced spontaneous emission. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (6), 1704-1709 (2015).
- Bora, M., et al. Plasmonic black metals in resonant nanocavities. Applied Physics Letters. 102 (25), 251105 (2013).
- Akselrod, G. M., et al. Efficient Nanosecond Photoluminescence from Infrared PbS Quantum Dots Coupled to Plasmonic Nanoantennas. ACS Photonics. , (2016).
