Summary
Dieses Protokoll beschreibt eine neuartige Nano-Herstellungstechnik, die verwendet werden kann, kontrollierbar und anpassbare Nanopartikel Filme über große Flächen auf der Grundlage der Selbstorganisation von dewetting der angeschnittene Ärmel Metallfolien.
Abstract
Jüngste wissenschaftliche Fortschritte bei der Verwertung von metallischen Nanopartikeln für verbesserte Energieumwandlung, verbesserte optische Geräte-Performance und High-Density Datenspeicher haben den potentiellen Nutzen ihrer Verwendung in der Industrie gezeigt. Anwendungen. Diese Anwendungen erfordern präzise Kontrolle über Nanopartikelgröße, Abstand, und manchmal Form. Diese Anforderungen haben führte der Einsatz von Zeit und Kosten intensive Bearbeitungsschritte um Nanopartikel, wodurch des Übergangs zur industriellen Anwendung unrealistisch zu produzieren. Dieses Protokoll löst dieses Problem indem Sie eine skalierbare und kostengünstige Methode für die großflächige Produktion von Nanopartikel-Filme mit verbesserten Nanopartikel Kontrolle im Vergleich zu den aktuellen Techniken. In diesem Artikel wird der Prozess mit Gold nachgewiesen werden, aber auch andere Metalle verwendet werden.
Introduction
Großflächige Nanopartikel Film Fertigung ist von entscheidender Bedeutung für die Annahme der jüngsten technologischen Fortschritte in der solar Energie-Umwandlung und Speicherung von High-Density-Daten mithilfe von plasmonische Nanopartikel1,2, 3 , 4 , 5. interessant ist es, dass die magnetischen Eigenschaften einiger dieser plasmonische Nanopartikel, die bieten diese Nanopartikel mit der Fähigkeit zu manipulieren und zu kontrollieren, Licht im Nanobereich. Diese Kontrollierbarkeit des Lichts bietet die Möglichkeit, leichte Einklemmung des einfallenden Lichts auf der Nanoebene erhöhen und das Absorptionsvermögen der Oberfläche. Basierend auf diese Eigenschaften und die Fähigkeit, Nanopartikel in entweder einer magnetisierten und einem nicht magnetisiert Zustand haben, sind Wissenschaftler auch eine neue Plattform für High-Density-digitale Datenträger definieren. In jede dieser Anwendungen ist es entscheidend, dass eine große Fläche und erschwinglichen Nanofabrikation Technik ist entwickelt, die für die Kontrolle der Nanopartikelgröße, Abstand und Form ermöglicht.
Die verfügbaren Techniken zu produzieren Nanopartikel basieren meist auf nanoskaligen Lithographie, die erhebliche Skalierbarkeit und Kosten Fragen. Es wurden mehrere verschiedene Studien, die zur Bewältigung des Problems der Skalierbarkeit dieser Techniken, aber bisher versucht haben, kein Prozess vorhanden ist, das bietet das Maß an Kontrolle für Nanopartikel Fertigung benötigt und ist Kosten- und Zeitaufwand effektiv genug für Annahme in Industrieanwendungen6,7,8,9,10,11. Einige aktuelle Forschungsbemühungen verbessert die Steuerbarkeit der gepulsten Laser induzierte dewetting (PLiD) und vorgefertigten Solid-State-dewetting12,13,14, aber sie haben immer noch bedeutende erforderlich Lithographie-Schritte und somit das Problem der Skalierbarkeit.
In diesem Manuskript präsentieren wir das Protokoll einer Nanofabrikation-Methode, die diese Skalierbarkeit und Kosten Frage angesprochen werden, die geplagt hat, die Annahme und Verwendung von Nanopartikel-Folien in weit verbreiteten industriellen Anwendungen. Diese Verarbeitungsmethode ermöglicht die Kontrolle über die hergestellten Nanopartikelgröße und den Abstand von der Oberfläche Energien die diktieren zu manipulieren die Selbstmontage der Nanopartikel gebildet. Hier zeigen wir den Einsatz dieser Technik mit einer Dünnschicht gold, gold-Nanopartikel, produzieren aber vor kurzem haben wir eine etwas andere Version dieser Methode mit einem Nickel-Film veröffentlicht und somit kann diese Technik mit jedem gewünschten Metall verwendet werden. Das Ziel dieser Methode ist, Nanopartikel Filme zu produzieren, bei gleichzeitiger Minimierung der Kosten und die Komplexität des Prozesses und somit haben wir unsere bisherigen Ansatz, der atomic Layer Deposition und Nanosekunden Laserbestrahlung auf eine Ni-Aluminiumoxid-System verwendet und ersetzt modifiziert Sie mit physischen Aufdampfen und einer Heizplatte. Das Ergebnis unserer Arbeit auf einem Ni-Aluminiumoxid-System zeigte auch ein akzeptables Maß an Kontrolle über die Morphologie der Oberfläche nach der dewetting15.
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Protocol
Hinweis: Die großflächige Herstellung von steuerbaren und anpassbare gold-Nanopartikel-Filme wird erreicht, indem das ausführliche Protokoll. Das Protokoll folgt drei Hauptbereiche, die (1) Substrataufbereitung, (2) dewetting und Ätzen und (3) Charakterisierung sind.
(1) Substrataufbereitung
- Reinigen Sie den Untergrund (100 nm SiO2 Si) mit eine Aceton-spülen gefolgt von einer Isopropyl-Alkohol spülen und trocknen mit einem Stream von N2 Gas.
- Laden Sie das Substrat in der thermischen Verdampfer-System und zur Erreichung den gewünschten Druck für die Abscheidung des Metallfilms zu evakuieren. Sicherstellen Sie, dass die Kammer mit einem Druck in der Größenordnung von 10-6 Torr für die Entfernung von Luft und Wasserdampf in der Kammer evakuiert wird.
- Mit der thermischen Verdampfer einzahlen gold Film auf die gewünschte Dicke (5 nm in diesem Fall). Das gold Ausgangsmaterial wurde in Form von 0,5 mm Durchmesser Draht Gold (99,99 % rein) erhalten. Beachten Sie, dass Dickenkontrolle für alle Phasen der Abscheidung durch die Kalibrierung der Maschine erfolgt unter Berücksichtigung aller wichtigen Parameter und Messung der Dicke post. In beiden Phasen Ablagerung der Argon-Druck ist ein paar Millitorrs (1-5 mTorr) und Bereich wird da unterschiedliche Drücke gewählt werden, um für die Abscheiderate zu kalibrieren.
- Entlüften und das Substrat mit hinterlegten Metallfolie aus dem thermischen Verdampfer-System entfernen. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
- Laden Sie das Substrat mit hinterlegten Metallfolie in Gleichstrom (DC) Magnetron Sputtern Ablagerung System und evakuieren um den gewünschten Druck zur Abscheidung von Capper Film (Table of Materials) zu erreichen.
- Um die Probe in der Maschine, die mehr der Probenmaterials in der Last zu suchen überträgt Schloss und das Gerät die Probe auf die wichtigsten Ablagerung Kammer zur Gewährleistung eines ausreichenden Niveaus des Vakuums. Beachten Sie, dass die Ablagerung von Aluminiumoxid Kappung Schicht Geschichten Ort im nächsten Schritt und diesen Schritt erklärt den Prozess der Platzierung der Probenmaterials in das Gerät und wie das Beispiel der wichtigsten Ablagerung Kammer übertragen wird.
- Hinterlegen Sie die Deckelung Schicht der gewünschten Material und Dicke. Beachten Sie, dass die Ablagerung von Aluminiumoxid eine ähnliche Prozedur und Zustand der Goldschicht Ablagerung, variabler Dicke Aluminiumoxid in diesem Fall folgt. Das Aluminiumoxid-Ausgangsmaterial wurde in Form von 50,8 mm Durchmesser, 6,35 mm dicken Sputter Ziel von Aluminiumoxid (99,5 % reines) erhalten.
- Entlüften der DC Magnetron Sputtern Ablagerung Kammer und die vorbereitete Probe zu entfernen. (Tabelle der Materialien). Das Protokoll kann hier angehalten werden.
2. dewetting und Ätzen
- Legen Sie die vorbereitete Probe auf einer vorgewärmten Heizplatte. Bei 5 nm gold Film mit Tonerde begrenzt Erhitzen der Probe bei 300 ° C und der Probe 1 h dewet. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
- Ätzen der Tonerde und verlassen das Gold und die zugrunde liegenden SiO2/Si Substrat mit einem 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (in Gew.-%) Lösung bei 80 ° C für 1 h. beachten Sie, dass der Prozess in einer Kapuze und alle Vorsichtsmaßnahmen für den Umgang mit korrosiven und ökologischen Gefahrstoff durchgeführt wird sollte geachtet werden. Das Protokoll kann hier angehalten werden.
3. Charakterisierung
- Bereiten Sie die Probe Vakuum kompatibel sein durch das Ausspülen mit Aceton und Isopropyl-Alkohol, gefolgt von Trocknung mit N2 vor.
- Imagefilme der Nanopartikel mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) im Hochvakuum und bei hoher Vergrößerung (50, 000 X Vergrößerung in diesem Fall, die minimale Größe Nanopartikel zu lösen). Das Protokoll kann hier angehalten werden.
- Durchführen Sie Bildanalyse, um Nanopartikelgröße und Abstand Distributionen zu informieren. Die Bildanalyse erfolgt mit einem MATLAB-basierten Code dieser Schwellenwerte führt das Graustufenbild Rauschunterdrückung und Partikel füllen Routinen15.
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Representative Results
Das hier beschriebene Protokoll für mehrere Metalle verwendet worden und hat die Fähigkeit gezeigt, Nanopartikel auf einem Substrat über großflächige, mit steuerbaren Größe und den Abstand zu produzieren. Abbildung 1 zeigt das Protokoll mit repräsentative Ergebnisse zeigt die Fähigkeit, die vorgefertigten Nanopartikelgröße und den Abstand zu kontrollieren. Wenn dieses Protokoll, das Ergebnis, woraufhin der hergestellte Nanopartikel-Film mit Größe und Abstand Distributionen ist, werden abhängig von der Wahl von Metall, die Wahl des Trägers, die Wahl der Deckelung Schichtmaterial, die Metallstärke und die Begrenzung Schichtdicke. Durch die Einstellung einer dieser Parameter, würde eine Verschiebung und Änderung in diese Ausschüttungen rechnen. Als Beispiel, die 5 nm gold Film auf SiO2 mit einem Al2O3 Deckelung Schicht dicken von 0 nm, 5 nm, 10 nm und 20 nm führen zu durchschnittlichen Nanopartikel Radien von 14,2 nm, 18,4 nm, 17.3 nm und 15,6 nm , bzw. eine durchschnittliche Nanopartikel Abstand von 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm und 47,2 nm, beziehungsweise.
Abbildung 1: grafische Darstellung der Protokoll und Vertreter Ergebnisse. Die Histogramme dargestellt sind die Markröhre (oben links) und Radien (unten links) Verteilung des Teilchens. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
Abbildung 2: der REM-Aufnahme der No-Deckelung Schicht (a) und Proben mit 5 (b), 10 (c) und 20 nm (d) Schicht Deckelung. Die Veränderung der Partikelgrößen und Distributionen sind offensichtlich die Bilder vergleichen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
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Discussion
Das Protokoll ist ein machbar und einfacher Prozess für einen Nano-Herstellungsprozess für die Herstellung von Nanopartikeln auf einem Substrat über große Flächen mit kontrollierbaren Eigenschaften. Das dewetting Phänomen, das zur Produktion von Partikeln führt, basiert auf der dewetted Ebene tendenziell minimale Oberflächenenergie zu erreichen. Die Kontrolle über die Größe und Form der Partikel richtet sich mit der Ablagerung von einer zweiten Fläche auf der Hauptebene Tune die Oberfläche Energien, und das endgültige Gleichgewicht zwischen der Haftung und der Energie benötigt, um die Deckelung Schicht auf die Partikel zu biegen unterschiedliche dewetting Regelungen, die zu verschiedenen Oberflächen Morphologien führen bestimmt. Dieses Protokoll wurde entwickelt und demonstriert anhand von Anlagen und Verfahren, die in der Regel mit grundlegenden Microfabrication Ausrüstung und Prozessfähigkeit für jeden zugänglich sind. In der aufgezeigten Ansatz zusätzliche Kontrolle über die endgültige Nanopartikel-Verteilung lässt sich durch Ändern der Metallfilm-Dicke, Dicke der GAP, Substratmaterial und GAP Schichtmaterials. Zwischen diese Prozessvariablen kann verschiedenste Nanopartikelgröße und Abstand erfolgen.
Zusätzliche Schritte hinzufügen oder ersetzen in das aktuelle Protokoll verwendete Techniken bieten weitere Änderungen des Prozesses, was zu mehr Kontrolle über die Nanopartikel-Distributionen, einschließlich breiteres Spektrum von Nanopartikelgröße und Abstand, Verengung die Nanopartikel-Verteilungen, oder die Fähigkeit, multimodale Nanopartikel Filme zu produzieren. Dieses Protokoll wurde entworfen und demonstrierte mit einem Schwerpunkt auf Zugänglichkeit und low-cost. Wenn mehr Reichweite gewünscht wird, wird die Verwendung eines thermischen Glühen Schnellwarnsystem oder Laserbestrahlung ändern die Aufheizgeschwindigkeit und bieten mehr Kontrolle des Nanoparticle. Wenn eine multimodale Nanopartikel Verteilung gewünscht wird, können Zwischenschritte der Lithographie (Elektronenstrahllithographie oder Photolithographie) bevor Metallabscheidung oder GAP Abscheidung von Schichten hinzugefügt werden. Die Lithographie-Schritte führt ein variabler Dicke Metall oder Cap-Schicht auf der Oberfläche und damit eine unterschiedliche Nanopartikel-Verteilung.
Eine weitere Modifikation, die leicht gemacht werden kann ist das gewünschte Metall, je nach Anwendungsfall des Films Nanopartikel. Hier die Demonstration Gold wegen der plasmonische Eigenschaften verwendet, aber ebenso eine metallische Nanopartikel oder andere plasmonische Nanopartikel oder sogar ein Kern-Schale-Nanopartikel gewünscht werden könnte. Dies wird erreicht durch eine Änderung der Metallfilm-Material. Diese Änderung wirkt die resultierende Verteilung der Nanopartikel wegen der Unterschiede in den Oberflächen Energien, aber die gleichen Trends zu erwarten wäre. Beachten Sie, dass die Schichtdicke Capper Kontrolle über die daraus resultierenden Nanopartikelgröße und Abstand bietet. Für neue Materialsysteme wird ein Verständnis für das Ausmaß der Kontrolle bedürfen.
Dieses Protokoll wurde entwickelt, um das Problem der großflächigen Substrat-basierte Nanopartikel Fabrikation für Anwendungen von Solarenergie Umstellung auf High-Density Datenspeicher bis hin zu beseitigen. Diese Anwendungen erfordern eine große Fläche von Nanopartikeln mit gut definierten und kontrollierten Nanopartikel. Die Techniken, die in Forschungslaboren verwendet werden, um die Auswirkungen zu untersuchen, dass Nanopartikel in diesen Anwendungen beteiligt haben, teure Ausrüstung und Zeit intensive Prozesse, so dass sie nicht machbar für industrielle Anwendungen. Dieses Protokoll hat gezeigt, das Niveau der Steuerung benötigt basiert auf kostengünstige und schnelle Bearbeitungsschritte.
Dieses Protokoll hat das Potenzial, eine revolutionäre Technik für die Produktion von Filmen Nanopartikel, die Substrat-basierte Verarbeitung erfordern. Diese Demonstration wurde nur mit einem einzigen Werkstoffsystem getan, aber mehr Forschung erfolgt kurzfristig, erkunden die volle Leistungsfähigkeit der Steuerung und Anpassung, die durch dieses Protokoll bereitgestellt wird.
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Disclosures
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Acknowledgments
Wir anerkennen die Unterstützung aus der Mikroskopie Core Facility an der Utah State University für die SEM Ergebnis. Wir anerkennen auch die National Science Foundation (Award #162344) für das DC-Magnetron-Sputtern System, der National Science Foundation (Award #133792) für die (Feld Elektronen und Ionen) FEI Quanta 650 und dem Department of Energy, Nuclear Energy University Programm für die FEI Nova Nanolab 600.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 100 nm SiO2/Si Substrate | University Wafer | Thermal Oxide Wafer | |
| Alumina Sputter Target (99.5%) | Kurt J. Lesker | Alumina Target | |
| Gold Wire (99.99%) | Kurt J. Lesker | Gold Wire | |
| H2O2 | Sigma-Aldrich | ||
| Hot Plate | Thermo Scientific | Cimarec | |
| NH4OH | Sigma-Aldrich | ||
| Scanning Electron Microscope | FEI | Quanta 650 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova Nanolab 600 | |
| Sputter Deposition System | AJA International | Orion-5 | |
| Thermal Evaporator | Edwards | 360 |
References
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