Summary
Ce protocole détaille une nouvelle technique de nano-fabrication qui peut être utilisée pour faire des films de nanoparticules contrôlable et personnalisable sur de vastes étendues basées sur l’auto-assemblage de démouillage des films métalliques plafonnés.
Abstract
Récentes avancées scientifiques dans l’utilisation des nanoparticules métalliques pour l’efficacité de conversion énergétique accrue, dispositif optique amélioré performance et stockage de données à haute densité ont démontré les bienfaits possibles de leur utilisation dans l’industrie applications. Ces applications nécessitent un contrôle précis de la taille de la nanoparticule, espacement et parfois la forme. Ces exigences ont conduit à l’utilisation du temps et coût des étapes de traitement intensif pour produire des nanoparticules, rendant ainsi la transition vers l’application industrielle irréaliste. Ce protocole permettra de résoudre ce problème en fournissant une méthode évolutive et abordable pour la production de la grande surface des nanoparticules films avec contrôle des nanoparticules améliorée par rapport aux techniques actuelles. Dans cet article, le processus sera démontré avec de l’or, mais les autres métaux peuvent également être utilisés.
Introduction
Fabrication de film grand-zone nanoparticule est cruciale pour l’adoption des récents progrès technologiques en conversion d’énergie solaire et stockage de données à haute densité avec l’utilisation de nanoparticules plasmoniques1,2, 3 , 4 , 5. il est intéressant, c’est les propriétés magnétiques de certains de ces nanoparticules plasmoniques qui fournissent ces nanoparticules avec la possibilité de manipuler et de contrôler la lumière à l’échelle nanométrique. Cette maîtrise de la lumière offre la possibilité de renforcer le piégeage lumineux de la lumière incidente à l’échelle nanométrique et augmenter la capacité d’absorption de la surface. Basé sur ces mêmes propriétés et ayant la capacité d’avoir des nanoparticules dans soit un aimantée et un état de non-magnétisé, scientifiques définissent également une nouvelle plate-forme pour le stockage de données numériques haute densité. Dans chacune de ces applications, il est essentiel qu’une grande surface et la nanofabrication abordable technique est développée qui permet le contrôle de la taille de la nanoparticule, espacement et forme.
Les techniques disponibles pour produire des nanoparticules sont principalement basées sur échelle nanométrique lithographie, qui ont une évolutivité importante et questions de coûts. Il y a eu plusieurs études différentes qui ont tenté de régler le problème de l’évolutivité de ces techniques, mais à ce jour, aucun processus n’existe qui fournit le niveau de contrôle requis pour la fabrication de nanoparticules et est assez efficace pour les temps et coûts adoption en applications industrielles6,7,8,9,10,11. Certains récents efforts de recherche amélioré la contrôlabilité des lasers pulsés induits démouillage (PLiD) et basé sur un modèle à l’état solide démouillage12,13,14, mais ils ont toujours important requis étapes de la lithographie et donc le problème d’évolutivité.
Dans ce manuscrit, nous présentons le protocole d’une méthode de nanofabrication qui abordera cette question d’évolutivité et de coût qui sévit dans l’adoption et l’utilisation de films de nanoparticules dans des applications industrielles très répandues. Cette méthode de traitement permet le contrôle de l’espacement et la taille de la nanoparticule produite en manipulant les énergies de surface qui dictent l’auto-assemblage des nanoparticules formés. Ici, nous montrent l’utilisation de cette technique en utilisant une fine pellicule d’or pour produire des nanoparticules d’or, mais nous avons récemment publié une version légèrement différente de cette méthode à l’aide d’un film de nickel, et donc cette technique peut être utilisée avec n’importe quel métal désiré. L’objectif de cette méthode consiste à produire des nanoparticules films tout en minimisant le coût et la complexité du processus et par conséquent, nous avons modifié notre approche antérieure, qui a utilisé le dépôt de couches atomiques et irradiation laser nanoseconde sur un système Ni-alumine et remplacé leur dépôt en phase vapeur physique et une plaque chauffante. Le résultat de nos travaux sur un système Ni-alumine a également montré un niveau acceptable de contrôle sur la morphologie de la surface après le démouillage15.
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Protocol
NOTE : La fabrication de la grande surface des nanoparticules or contrôlable et personnalisable films sera assurée en suivant le protocole détaillé. Le protocole fait suite à trois grands domaines que sont la préparation du substrat (1), (2) démouillage et eau-forte et caractérisation (3).
1. préparation du substrat
- Nettoyer le substrat (100 nm SiO2 sur as) en utilisant un rinçage de l’acétone suivie d’un rinçage à l’alcool isopropylique et puis séchez à l’aide d’un gaz de2 flux de N.
- Charger le substrat dans le système d’évaporation thermique et évacuer pour atteindre la pression désirée pour le dépôt du film métallique. Veiller à ce que la chambre est vide à une pression sur l’ordre de 10-6 Torr pour l’élimination de l’air et de vapeur d’eau dans la chambre.
- À l’aide de l’évaporateur thermique, déposer le film or à l’épaisseur désirée (5 nm dans le cas présent). Le matériel d’origine or a été obtenu sous la forme du fil de diamètre 0,5 mm d’or (pur à 99,99 %). Notez que le contrôle de l’épaisseur pour toutes les étapes de dépôts est effectué par l’étalonnage de la machine, compte tenu de tous les paramètres importants et après mesure de l’épaisseur. Aux deux étapes de dépôts, la pression de l’argon est un couple de millitorrs (mTorr 1-5), et la portée est indiquée comme différentes pressions sont choisies pour calibrer pour le taux de dépôt.
- Aérer et enlever le substrat avec une pellicule métallique déposé du système thermique évaporateur. Le protocole peut être suspendu ici.
- Charger le substrat avec une pellicule métallique déposé dans le système de dépôt par pulvérisation cathodique magnétron courant continu (DC) et évacuer pour atteindre la pression désirée pour le dépôt du film bouchage (Table des matières).
- Pour localiser l’échantillon dans la machine, mettre l’échantillon dans la charge lock et le dispositif transfère l’échantillon à la chambre des dépôts principaux pour assurer un niveau suffisant de vide. Notez que la déposition de l’écrêtement d’alumine couche contes place dans la prochaine étape et cette étape est d’expliquer le processus consistant à placer l’échantillon dans l’appareil et la façon dont l’échantillon est transféré à la chambre principal deposition.
- Dépôt du matériel désiré et épaisseur de la couche de forme. Noter que la déposition de l’alumine suit une procédure similaire et une condition de la déposition de la couche d’or, alumine d’épaisseur variable dans ce cas. Le matériel de source d’alumine a été obtenu sous la forme d’un diamètre de 50,8 mm, cible de pulvérisation épais de 6,35 mm d’oxyde d’aluminium (pur à 99,5 %).
- Aérer la chambre de dépôt par pulvérisation cathodique DC magnétron et retirer l’échantillon préparé. (Table des matières). Le protocole peut être suspendu ici.
2. démouillage et gravure
- Placer l’échantillon préparé sur une plaque chauffante préchauffée. Pour le film d’or nm 5, plafonné à l’alumine, chauffer l’échantillon à 300 ° C et laisser l’échantillon dewet pendant 1 h. Le protocole peut être suspendu ici.
- Etch l’alumine tout en laissant l’or et qui sous-tendent la SiO2/Si substrat avec un 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (en % du poids) solution à 80 ° C pendant 1 h. remarque que le processus est effectué dans une hotte avec toutes les précautions pour faire face à des matières dangereuses corrosives et environnementales doit être prise. Le protocole peut être suspendu ici.
3. caractérisation
- Préparation des échantillons pour être compatible sous vide en rinçant avec de l’acétone et l’alcool isopropylique suivie de séchage avec N2.
- Les films de nanoparticules à l’aide de la microscopie électronique à balayage (SEM) d’image sous vide élevé et à fort grossissement (50, 000 X grossissement dans ce cas à résoudre les nanoparticules de tailles minimales). Le protocole peut être suspendu ici.
- Effectuer une analyse d’image pour obtenir des informations de taille de la nanoparticule et distributions d’espacement. L’analyse de l’image est réalisée à l’aide d’un code basé sur MATLAB que seuils l’image en niveaux de gris, exécute réduction du bruit et des particules de remplissage routines15.
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Representative Results
Le protocole décrit ici a été utilisé pour plusieurs métaux et a démontré la capacité de produire des nanoparticules sur un substrat plus grande surface, avec taille réglable et leur espacement. La figure 1 montre le protocole avec des résultats représentatifs, montrant la capacité de contrôler l’espacement et la taille de la nanoparticule mécano. En suivant ce protocole, le résultat, qui est le film de nanoparticules fabriqué avec la taille et la répartition de l’espacement, dépendra le choix du métal, le choix du substrat, le choix de plafonner le matériau de la couche, l’épaisseur du métal et le bouchage épaisseur de la couche. En réglant l’un de ces paramètres, un changement et un changement dans ces distributions s’attendrait. À titre d’exemple, le film de 5 nm or sur SiO2 avec un Al2O3 couche d’une épaisseur de 0 de forme nm, 5 nm, 10 nm et 20 nm résultat en moyenne nanoparticules radii de 14,2 nm, 18,4 nm, 17,3 nm et 15,6 nm , respectivement, un espacement moyen de nanoparticules de 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm et 47,2 nm, respectivement.
Figure 1 : image graphique des résultats protocole et représentant. Les histogrammes présentées sont la moelle (en haut à gauche) et la distribution des rayons (en bas à gauche) de la particule. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : image de la SEM de non-capsulage couche b et échantillons avec 5 (b), 10 (c) et 20 nm (d) couche de forme. Le changement de tailles de particules et les distributions sont apparentes en comparant les images. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.
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Discussion
Le protocole est un processus facile et faisable pour un processus de nanofabrication pour la production de nanoparticules sur un substrat sur de grandes superficies avec caractéristiques contrôlables. Le phénomène de démouillage, qui conduit à la production de particules, est basé sur la tendance de la couche de dewetted pour atteindre une énergie de surface minimale. Le contrôle sur la taille et la forme des particules est ciblé par le dépôt d’une deuxième surface sur la couche principale de régler les énergies de surface, et l’équilibre final entre l’adhérence et l’énergie nécessaires pour endrailler les particules de la couche de forme détermine les différents régimes de démouillage, conduisant aux différentes morphologies de surface. Ce protocole a été conçu et démontré basé sur le matériel et les procédés qui sont généralement accessibles à toute personne avec équipement de base microfabrication et fonctions de processus. Dans l’approche démontrée, un contrôle supplémentaire sur la distribution de nanoparticules final est possible en modifiant l’épaisseur de film métallique, l’épaisseur de couche de cap, le matériau de substrat et le matériel de couche de cap. Entre ces variables de processus, une large gamme de taille des nanoparticules et leur espacement est possible.
Ajout d’étapes supplémentaires ou de remplacement des techniques utilisées dans le protocole actuel peut fournir une modification supplémentaire du processus ayant pour résultat plus de contrôle sur les distributions de nanoparticules, dont le plus grand nombre de nanoparticules de taille et espacement, rétrécissement les distributions de nanoparticules, ou la capacité de produire des films de nanoparticules multimodal. Ce protocole a été conçu et démontrée en mettant l’accent sur l’accessibilité et coût bas. Si vous souhaitez une portée plus longue, l’utilisation d’un système de recuit thermique rapide ou l’irradiation laser changera la vitesse de chauffe et mieux contrôler de nanoparticules. Si l'on souhaite une distribution de nanoparticules multimodal, des étapes intermédiaires de la lithographie (lithographie par faisceau d’électrons ou photolithographie) peuvent être ajoutées avant de metallisation ou dépôt de couches de cap. Les étapes de la lithographie seront traduira par une couche de métal ou cap d’épaisseur variable entre la surface et donc une distribution de nanoparticules différents.
Une autre modification qui peut être faite facilement est dans le métal désiré, selon la demande spécifique du film nanoparticules. Ici, la démonstration utilisé or à cause des propriétés plasmoniques, mais de la même façon, une nanoparticule métallique ou autres nanoparticules plasmoniques ou même une nanoparticule noyau-enveloppe pourrait désirer. Ceci est réalisé en changeant le matériel film métallique. Cette modification affectera la distribution résultante de nanoparticules en raison des différences dans les énergies de surface, mais devrait les mêmes tendances. Notez que l’épaisseur de la couche de forme permet de contrôler l’espacement et la taille des nanoparticules qui en résulte. Pour les nouveaux systèmes matériels, une compréhension de l’étendue du contrôle est nécessaires.
Ce protocole a été conçu pour éliminer le problème de la fabrication de nanoparticules axée sur les substrats de grande surface pour des applications allant de la conversion de l’énergie solaire pour le stockage de données à haute densité. Ces applications nécessitent une grande surface des nanoparticules avec des nanoparticules bien définies et contrôlées. Les techniques qui sont utilisés dans les laboratoires de recherche pour étudier l’impact que des nanoparticules ont impliqué dans ces applications des équipements coûteux et processus intensif de temps, rendant impossible pour les applications industrielles. Ce protocole a démontré le niveau de contrôle nécessaire basée sur les étapes de traitement rapide et abordable.
Ce protocole a le potentiel pour être une technique révolutionnaire pour la production de n’importe quel films de nanoparticules qui nécessitent un traitement axée sur le substrat. Cette démonstration a été faite seulement avec un seul système matériel, mais plus de recherches se fera à court terme d’explorer pleinement les capacités de contrôle et de personnalisation qui est prévue par le présent protocole.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Nous reconnaissons l’appui de la microscopie Core Facility à Utah State University pour le résultat de la SEM. Nous reconnaissons également la Fondation nationale des sciences (prix #162344) pour le système de pulvérisation cathodique magnétron DC, la National Science Foundation (prix #133792) pour le (champ électrons et ions) 650 Quanta FEI et le Department of Energy, Université de l’énergie nucléaire Programme pour la 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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