Summary
Biz kolloidal tekniğinde teknikleri kullanarak periyodik altın nanocup dizilerin imalatı göstermek ve nanoplasmonic Filmler önemini tartışıyorlar.
Abstract
Araştırmacılar yeni nanofabrication teknikleri ile birlikte kimyasal ve optik algılama için ilgili heyecan verici uygulamalar göstermiştir gibi son yıl içinde plasmonics alan patladı vardır. Bir plasmon Nano metaller altın ve gümüş benzersiz optik özellikleri gibi ödünç ücret yoğunluk salınım kuantum var. Özellikle, altın ve gümüş nano tanecikleri nanopartikül-in yerelleştirilmiş yüzey plasmon rezonanslar-toplu ücret yoğunluk salınımlarını yüzeyinde görünür tayf sergi. Anizotropik Plazmonik nanoyapıların periyodik dizileri fabrikasyon üzerinde odaklanabilir. Bu yarı-kabuk (veya nanocup) yapılar ek benzersiz ışık bükme ve polarizasyon bağımlı sergi optik özellikleri basit bu izotropik nanoyapıların olamaz. Araştırmacılar nanocups gibi düşük maliyetli optik aygıtlar, Raman yüzey gelişmiş uygulamaları, çeşitli için periyodik dizileri imalatı ile ilgilenen saçılma ve gösterge kurcalamak. Biz içinde hangi o kolayca spin-kaplama kullanarak nanocups büyük periyodik dizileri imal etmek mümkündür ve ticari olarak mevcut polimer nanospheres kendi kendine monte kolloidal litografi dayalı ölçeklenebilir bir teknik mevcut. Elektron mikroskobu ve optik yakın kızılötesi (yakın-IR) için görünür gelen spektroskopisi başarılı nanocup imalat onaylamak için gerçekleştirilen. Nanocups transfer esnek, açıkorurdur yapıştırıcı film bir gösteri ile sonuçlandırmak.
Introduction
Plasmonics geliştirilmiş nanofabrication ve sentez teknikleri ile birlikte ortaya çıkması circuity, geliştirilmiş kimyasal tespit ve optik algılama1 alt kırınım sınırlı gibi çeşitli heyecan verici teknolojileri hakkında getirdi ,2,3. Bu protokol için bir ölçeklenebilir ve nispeten düşük maliyetli tekniği nanopatterned Plazmonik yüzeylerde piyasada bulunan polimer nanospheres ve metal ifade tarafından takip bir gravür adım kullanarak imalatı yetenekli göstermek. Elektron ışını litografi4gibi nanopatterned yüzeylerde imalatı için diğer teknikleri aksine bu teknik hızlı ve verimli bir şekilde 300 mm gofret için ölçeklenebilir ve ötesine en az çaba ve kullanımları ile bir transfer adım esnek üretmeye ve açıkorur filmleri5.
Roma Dönemi beri bilmemiz ne zaman onlar ince ayrılır bazı metaller altın ve gümüş gibi parlak optik özelliklerine sahip olabilir. Bugün, biz bu metal parçacıklar "yüzey plasmon rezonans lokalize" adı verilen bir etkisi sergi anlamak (boyutlarıyla Nano yaklaştığında LSPR). LSPR metal parçacıklar belirli frekansları ışık aydınlatır zaman içinde salınım zayıf ilişkili elektronlar metal buldum tutarlı bir duran dalga benzerdir. Yönbağımlı nanoyapıların özel ilgi olduklarından benzersiz optik rezonanslar6,7,8kırma simetri bir sonucu olarak ortaya çıkabilir.
Yarı-kabuk (nanocup) yapıları ile ışık aydınlatma elektrik dipol veya metal yüzey ile ilgili olay ışık yönünü ifade açısı gibi faktörlere bağlı olarak manyetik dipol plasmon modları heyecanlandırmak ve polarizasyon olay ışık9. Nanocups kez bir LC-osilatör10,11yaklaşık olarak rezonans frekansı olabilir üç boyutlu Segman Çınlayıcılar (Rezonatörler), benzer kabul edilmiştir. Burada kullanılan polimer nanospheres boyutunu rezonans frekansı (170 nm), yatırılan altın miktarı (20 nm), ve görünür kapsayan rezonans frekansları ve IR. yakınındaki etch oranları verim
Altın nanocups optik özelliklerini iletim veya yansıma, spin-kaplama için kullanılan yüzey bağlı olarak ölçülebilir. Sunulan protokolünde 2 inç silikon gofret substrat kullanın ve yansıma ölçümleri sonra metal birikimi gerçekleştirmek seçtik. Ölçümler için dağıtıcı bir Spektrometre halojen ışık kaynağı ile birleştiğinde bir mikroskop kullanarak gerçekleştirilen. Biz de başarı ile cam yüzeylerde, istimal hemen ardından metal birikimi iletim ve yansıma ölçümleri için izin oldu. Ayrıca, bu tekniği kolayca ölçeklenebilir ve 2 inç gofret için sınırlı değildir. Yüksek kaliteli monodisperse polimer nanospheres geniş ticari durumu nedeniyle, sadece farklı büyüklükteki nanospheres ile başlatarak bu yapılar optik özelliklerini ayarlamak basittir.
Bu protokol, kolloidal litografi adı verilen bir yöntem kullanarak nanoyapıların gösterdi Anizotropik yarı-kabuk (veya nanocup) altın imal etmek bir teknik. Kolloidal litografi son derece monodisperse polimer nanosphere hızlı bir şekilde daha fazla bir Plazmonik substrat ince bir tabaka halinde altın kaplama sputter sonra işlenebilir bir substrat desen için kendinden montajlı kullanır. Aynı şekilde, substrat anizotropi sırasında metal birikimi örnek substrat eğerek ayarlamak mümkündür. Polarizasyon duyarlı elde edilen yapılardır kurulan nanostructure anizotropi yüzünden. Burada, belirli bir göstermek durumunda ve optik karakterizasyonu ve yapıları şeffaf, esnek sinemaya aktarmak için kalkış gerçekleştirmek.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. malzeme hazırlık
- temizlik için birkaç 2 inç silikon gofret bir kuvars taşıyıcı yerleştirin ve silikon gofret sistem aşındırma plazma yük. En az 75 mTorr ulaşıncaya kadar aşağı vakum odası pompa. Bu birkaç dakika sürebilir.
- O 2 (30 sccm) gaz akışını başlamak ve basınç stabilize etmek için izin verir. Etch saat 15dk için ayarlayın. Odası basınç stabilize bir kez Radyofrekans (RF) 13.56 MHz 250 W plazma başlatmak.
Not: Bu adım herhangi bir organik silikon gofret temizler kirlenmektedir ve yüzey functionalizes ile hydroxylated (-OH) böylece hidrofilik bir yüzey sağlanması moieties.
Bitirmek için plazma Temizleme için bekleyen adım iken - buzdolabı (4 ° C) ticari olarak satın alınan polistren nanospheres (170 nm çapı, % 10 katı, % 0.5 Sodyum Lauryl Sülfat) kaldırın. Oda sıcaklığına kadar ısıtmak kapsayıcı izin.
- Kısaca girdap (1 dk) ve (35 kHz, 1dk) nanosphere Aglomerasyon en aza indirmek için polistren nanospheres solüsyon içeren temizleyicide.
- Temiz cam şişe içine 170 nm polistren nanospheres 1.0 mL ölçmek ve 1.0 mL % 5 katı kolloidal süspansiyon elde etmek için H 2 O ekleyin.
- 15 dk sonra O 2 akışını durdurmak, vakum odası delik ve taze temizlenmiş gofret kaldırmak.
2. Spin-kaplama polistiren Nanospheres şablonunun
- Unload temizlenmiş silikon gofret plazma yakıcısı. O zaman bir 2 inç gofret spin coater üzerine monte. Düzgün merkezli ve O-ring herhangi bir enkaz açık olduğundan emin olun. Vakum başlatmak ve gofret Sahne Alanı'na güvenli bir şekilde takıldığından emin olun.
- Spin coater spin parametrelerini ayarlamak. Bu parametreler nanosphere boyutuna göre değişir. %5 170 nm nanospheres çözümü için 1 adım süreci bir spin saat 1 dk, 3000 rpm hızında ve 2000 d/d ivme ile spin coater ayarlamak/s.
- Tek kullanımlık şırınga kullanarak, çekilme ~ 1 mL flakon üzerinden kolloidal süspansiyon. Şişeyi bir kenara. 5 µm şırınga filtre alıp şırınga sonuna yerleştirin. Bir damlacık süspansiyon, ucu temizlenene kadar şırınga düşürmek. Filtre istenmeyen toplamları kaldırır ve partikül bu önemli ölçüde film kalitesini düşürebilir. Öyle ki yaklaşık 2/3 yüzeyi kaplı
- doğrudan gofret merkezi üzerinde yeterli süspansiyon Kasası. Bu film kalite etkileyebilir çünkü baloncuklar en aza indirmek deneyin. Spin-coater kapağını kapatın ve Start tuşuna basın. Bu işlem sırasında nanospheres kendi kendine bir araya gofret yüzey üzerinde ince film girişim etkileri görmek mümkün olabilir. Bu nanosphere çapı göre değişir.
- Vakum devre dışı bırakma sonra spin kaplı gofret kaldırın. Kase ve aşırı nanospheres kaldırmak için spin coater kapağını silin.
3. Kalite değerlendirme ve gravür için hazırlık film
- görsel olarak çizgiler veya partikül tarafından spin-kaplama işlemi sırasında neden olabilir delik gibi belirgin kusurları bakarak kendi kendine monte filmin kalitesini değerlendirmek.
- Film kaliteli bir optik mikroskop altında gofret yerleştirerek değerlendirmek. Tane sınırları ve bazı kusurlar normaldir. Gofret geniş kaplamasız alanlar veya açık multilayers varsa, daha düzgün bir film elde etmek için spin parametrelerini ayarlamak gereklidir. Elektron mikroskobu film kalitesini değerlendirmek için de kullanılabilir.
- Mikroskop ve odak bir 20 X amacı istimal silikon gofret yüzeyine ışık kaynağı açın. Kalite bütünlüğü sağlamak için gofret boyunca çeşitli noktalarda değerlendirmek.
- Son filmi kalite nanosphere görselleştirmek için tarama elektron mikroskobu (SEM) kullanmaktır Nano kendinden montajlı denetleyin. Multilayers, delik ve tahıl sınırları/kusurları derecesini nispeten hızlı bir şekilde bu tekniği kullanarak gofret küçük porsiyonlar arasında değerlendirmek mümkündür. Bir kez yeterli bir film elde etti,
- kendi kendine monte nanospheres tavlamak 2 dk (107 ° C) bir fırına gofret yerleştirin. Bu yapışma substrat için teşvik yardımcı olur ve daha iyi bir nanopatterned yüzey aşındırma sonra verimleri.
4. Gravür, Metal birikimi ve optik karakterizasyonu
- tavlanmış gofret plazma yakıcısı yük ve pompa aşağı süreci başlatmak. En az 75 mTorr, vakum odası ulaştıktan sonra
- O 2 (20 sccm) gaz akışını başlar ve stabilize etmek için basınç bekleyin. 165 RF plazma (75W) başlatmak s.
- RF plazma döngüsü tamamlandığında, O 2 akışını durdurmak ve odası delik.
- Substrat kazınmış ve hazır için metal birikimi artık. Örnek bir sputter coater için taşıma ve ince bir mevduat (20 nm) altın tabakası. İfade açıları değişen nanocups optik özelliklerini değiştirmek için kullanılabilir. Bu durumda, metal birikimi substrat için normalde olay gerçekleştirildi.
- Sonra metal biriktirme, substrat optik spektroskopisi kullanılarak karakterize. Metalize substrat yüzeyinin microspectrophotometer odaklanmak ve yansıma spectra ölçün. 170 nm kazınmış nanosphere diziler için LSPR 615 yapıldı nm.
- Kullanma basınca duyarlı yapışkan bant, yavaşça filmin substrat temas yerleştirin. Bir cımbız kullanarak arabirim oluşan herhangi bir hava kabarcıkları kaldırmak gerekli olabilir. Bant yüzey temas olduğunda
- , kaseti hemen nanocups substrat yüzeyindeki çıkarmak için soyulmuş. Hafifçe kabuğu kaseti geri ve altın nanocups esnek ve açıkorur filmin sonucudur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Altın nanocups 170 nm çapında polistren nanospheres kullanılarak hazırlanmıştır. 107 ° C'de 2 min için tavlama ve 165 için 75 W, 20 sccm O2 plazma ile aşındırma sonra s, elde edilen filmin karakterize SEM (şekil 1) kullanarak. Spin-döküm filmin kalitesini değerlendirmek için optik mikroskobu ek olarak görsel muayene-Mayıs olması (Şekil 2) kullanılır. Yüksek kaliteli filmler aslında arınmış olmalıdır. Tahıl sınırları genellikle bile yüksek kaliteli filmlerde gözlenmektedir ancak detaylara dikkat ile neredeyse nokta kusurları ortadan kaldırmak mümkündür. 20 birikimi nm sputter kaplama kullanarak altın plasmonically-aktif filmde sonuçlandı ve optik yansıma spektroskopisi (şekil 3) kullanarak karakterize edildi. Plazmonik film sert silikon substrat yaygın olarak bulunan yapışkan bant kullanarak esnek sinemaya transfer edildi. Kaseti plasmonically aktif film ile temas halinde yerleştirilir ve film 1 dk. için bağlı kalmak için izin. Kaseti sonra yavaşça altın nanocups bir aktarımda film (şekil 4) kaynaklanan substrat kaldırılmıştır.
Resim 1 : Temsilcisi tarama elektron Filmler, kendinden montajlı nanoyapıların kolloidal litografi kullanarak fabrikasyon. gravür, (b) düzenli olarak önce polistren nanospheres tipik bir dizi (bir) kendi kendine monte monolayer aralıklı polistren nanospheres tavlama ve Matlaştırma sonra (75 W, 20 sccm O2 165 için s) ve (c) düzenli olarak 20 altın nanocups aralıklı nm altın (Au), substrat açısından normal bir insidans yatırılır. Ölçek çubuğu: 100 nm. Büyütme: 100 kX. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Kalitesini değerlendirmek için kendi kendine monte filmlerin optik mikroskobu. (bir) Film iyi monolayer kapsama alanı ve en az kusurları ile. Tane sınırları en az kusurları ve delikleri ile gözlenir. (b) Film monolayer ve çok katmanlı bölgelerinde oluşan. (c) filmi ile büyük kusurları ve eksik monolayer kapsama. Ölçek çubuğu: 20 µm. büyütme: 20 X. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Fabrikasyon altın nanocup dizi optik yansıtma karakterizasyonu. Güçlü bir Plazmonik rezonans, gösterilen optik yansıtma spectra ~ 615 nm. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 : Kurban Silisyum (Si) gofret üzerinden altın nanocups soyma sonra elde edilen esnek, şeffaf filmi. (bir) şematik kalkış yordam. (b) optik görüntü soyulmuş film. (c) fotoğraf şeffaflık göstermek için film odaklı. (d) temsilcisi optik iletim spectra kalkış sonra bir film. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bu iletişim kuralı Plazmonik altın nanocups periyodik dizileri imalatı için düşük maliyetli ve verimli bir teknik gösterir. Elektron ışını litografi veya odaklı iyon demeti seri tepeden işlemler önler çünkü bu teknik özellikle avantajlıdır freze. Sunulan teknik ticari olarak mevcut polimer nanospheres için daha fazla alay nano ölçekli şablon olarak hizmet etmek için basit bir şekilde kendi kendine birleştirilebilecek gösterir.
Değişiklikler ve sorun giderme:
Film kalitesi kötü değilse, nanosphere çözüm önceden filtre uygulamak gerekli olabilir. Burada, ama biz 5 µm şırınga filtre kullanılan bağlı olarak nanosphere çapı 0,22 µm aşağı şırınga filtreleri kullanmak için avantajlı olabilir. Gravür işleminin istenen optik yanıt almak için ayarlanabilir. Etch kalitesini sigara-dokunaklı ve eşit aralıklı polimer nanospheres emin olmak için SEM kullanarak değerlendirilmelidir. Etch parametreleri için belirli bir sistemi kurduktan sonra tekrarlanarak benzer plasmon rezonanslar ile bir toplu iş birkaç gofret üretimi mümkündür. Değişik açılarda metal birikimi nanocup'ın Anizotropik optik özelliklerini ayarlamak.
Kritik adımlar:
Nanospheres düzgün depolanan ve yüksek kaliteli filmlerin elde etmek için ele gerekir. Oda sıcaklığında ve kısaca monodisperse nanospheres emin olmak için sonication tarafından takip girdap ısıtmak nanospheres izin verir. Silikon yüzey temizlenir ve hemen yüksek hidrofilik bir yüzey sağlamak için kullanılan plazma olması gerekir. Son olarak, kendi kendine monte filmin her ikisi de göz yanı sıra optik mikroskobu ile kontrol edilmelidir. En az kusurları dikkat edilmelidir, aksi takdirde spin koşulları ayarlamak gerekli olacaktır.
Sınırlamalar:
Bu yüksek ölçeklenebilir bir tekniktir ancak akılda tutulması gereken bazı sınırlamaları var mı. Kendinden montajlı işlem nanospheres büyük diziler üreten mükemmel ama nanoyapıların üç boyutlu anizotropi ile imal etmek zordur. Karmaşık nanoyapıların en iyi elektron ışını litografi veya odaklı iyon ışını tarafından fabrikasyon freze. Bu taşınımı, ancak, de ölçek mi ve üretimi son derece pahalıdır.
Genel olarak, bu iletişim kuralını nanoplasmonic Filmler imal gösterilmiştir. Nanoplasmonic filmleri doğrusal olmayan optik malzemeler7, fotovoltaik12ve ışık yayan diyotlar13gibi alanlarda çeşitli uygulamalar var.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Bu araştırma, Pacific Northwest Ulusal Laboratuvarı (için Bakanlığı, enerji (DOE) Sözleşme No altında Battelle Memorial Enstitüsü tarafından işletilen PNNL), gerçekleştirildi DE-AC05-76RL01830. Yazarlar ABD Dışişleri Bakanlığı kurumlararası anlaşma SIAA15AVCVPO10 altında anahtarı doğrulama kıymetler Fonu (V Fonu) aracılığıyla destek minnetle kabul etmiş oluyorsunuz.
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
- 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.
- 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).
