Summary
Questo protocollo dettaglia una tecnica novella di nano-fabbricazione che può essere utilizzata per fare film di nanoparticelle controllabile e personalizzabile su grandi superfici, basati sull'auto-assemblaggio di bagnabilità di film metallici ricoperti.
Abstract
Recenti progressi scientifici nell'utilizzazione di nanoparticelle metalliche per miglioramento dell'efficienza di conversione, le prestazioni del dispositivo ottico migliorato e memorizzazione dei dati ad alta densità hanno dimostrato il beneficio potenziale del loro utilizzo in campo industriale applicazioni. Queste applicazioni richiedono un controllo preciso sulla dimensione delle nanoparticelle, spaziatura e a volte forma. Questi requisiti hanno portato all'utilizzo di tempo e costo passaggi di elaborazione intensiva per produrre nanoparticelle, rendendo così la transizione all'applicazione industriale irrealistico. Questo protocollo si risolverà questo problema fornendo un metodo scalabile e accessibile per la produzione di grandi superfici di nanoparticella film migliorata nanoparticella controllo rispetto alle attuali tecniche. In questo articolo, il processo sarà dimostrato con l'oro, ma possono essere utilizzati anche altri metalli.
Introduction
Fabbricazione di film di ampia superficie delle nanoparticelle è criticamente importante per l'adozione dei recenti progressi tecnologici nella conversione dell'energia solare e memorizzazione dei dati ad alta densità con l'uso di nanoparticelle plasmoniche1,2, 3 , 4 , 5. è interessante, le proprietà magnetiche di alcune di queste nanoparticelle plasmoniche, che forniscono queste nanoparticelle con la capacità di manipolare e controllare la luce su nanoscala. La controllabilità di luce fornisce la possibilità di aumentare l'assorbimento della superficie e luce allettamento della luce incidente su nanoscala. Basato su queste stesse proprietà e avendo la possibilità di avere le nanoparticelle in entrambi un magnetizzato e uno stato non magnetizzato, gli scienziati stanno anche definendo una nuova piattaforma per l'archiviazione di dati digitali ad alta densità. In ognuna di queste applicazioni, è fondamentale che una vasta area e nanofabbricazione conveniente tecnica è sviluppata che permette il controllo delle dimensioni delle nanoparticelle, la spaziatura e la forma.
Le tecniche disponibili per produrre nanoparticelle si basano principalmente su nanoscala Litografia, che hanno notevole scalabilità e costi problemi. Ci sono stati più diversi studi che hanno tentato di affrontare il problema di scalabilità di queste tecniche, ma fino ad oggi, nessun processo esiste che fornisce il livello di controllo necessario per la fabbricazione delle nanoparticelle ed è abbastanza efficace per tempi e costi adozione in applicazioni industriali6,7,8,9,10,11. Necessari alcuni recenti sforzi di ricerca migliorato la controllabilità del laser pulsato indotto bagnabilità (PLiD) e basati su modelli a stato solido dewetting12,13,14, ma hanno ancora significativi passaggi di litografia e così il problema di scalabilità.
In questo manoscritto, vi presentiamo il protocollo di un metodo di nanofabbricazione che affronterà il problema di scalabilità e costi che ha afflitto l'adozione e l'uso delle pellicole di nanoparticelle in applicazioni industriali molto diffuse. Questo metodo di lavorazione permette il controllo sulla dimensione delle nanoparticelle prodotte e spaziatura manipolando le energie superficiali che dettano l'auto-assemblaggio delle nanoparticelle formate. Qui, dimostriamo che l'uso di questa tecnica utilizzando un sottile strato di oro per produrre nanoparticelle d'oro, ma recentemente abbiamo pubblicato una versione leggermente diversa di questo metodo utilizzando una pellicola di nichel e così questa tecnica può essere utilizzata con qualsiasi metallo desiderato. L'obiettivo di questo metodo è quello di produrre film di nanoparticelle, riducendo al minimo i costi e la complessità del processo e così abbiamo modificato il nostro approccio precedente, che ha usato la deposizione di strati atomici e irradiazione laser nanosecondo su un sistema Ni-allumina e sostituito li con deposizione fisica da vapore e un piatto caldo. Il risultato del nostro lavoro su un sistema Ni-allumina inoltre ha mostrato un livello accettabile di controllo sulla morfologia della superficie dopo il dewetting15.
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Protocol
Nota: La fabbricazione di grandi superfici di film controllabile e personalizzabile di nanoparticelle d'oro si ottiene seguendo il protocollo dettagliato. Il protocollo segue tre aree principali che sono la preparazione del substrato (1), (2) bagnabilità e acquaforte e (3) caratterizzazione.
1. preparazione del substrato
- Pulire il substrato (100 nm SiO2 su Si) utilizzando un risciacquo di acetone seguito da un risciacquo di alcool isopropilico e poi asciugare con un flusso di N2 gas.
- Caricare il substrato nel sistema evaporatore termale ed evacuare per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione di film metallici. Assicurarsi che la camera viene evacuata ad una pressione dell'ordine di 10-6 Torr per la rimozione di aria e vapore acqueo in aula.
- Utilizzando l'evaporatore termale, depositare il film oro presso lo spessore desiderato (5 nm in questo caso). Il materiale di oro è stato ottenuto sotto forma di filo di diametro di 0,5 mm d'oro (puro al 99,99%). Si noti che il controllo di spessore per tutte le fasi di deposizione viene eseguito dalla taratura della macchina, considerando tutti i parametri fondamentali e post misurazione dello spessore. In due fasi di deposizione, la pressione dell'argon è un paio di millitorrs (1-5 mTorr) e l'intervallo è dato come pressioni differenti sono stati scelti per calibrare per la velocità di deposizione.
- Sfogo e rimuovere il substrato con la pellicola di metallo depositato dal sistema termico evaporatore. Il protocollo può essere messo in pausa qui.
- Caricare il substrato con la pellicola di metallo depositato nel sistema di deposizione di corrente continua (DC) magnetron sputtering ed evacuare per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione del film tappatura (Tabella materiali).
- Per individuare il campione nella macchina, mettere il campione nel carico serratura e dispositivo trasferisce il campione alla camera di deposizione principale per garantire un sufficiente livello di vuoto. Si noti che la deposizione di tappatura di allumina strato tales posto nel passaggio successivo e questo passaggio sta spiegando il processo di inserimento del campione in apparato e come il campione prelevato viene trasferito alla camera principale deposizione.
- Depositare lo strato di tappatura del materiale desiderato e spessore. Si noti che la deposizione dell'allumina segue una procedura simile e la condizione della deposizione strato d'oro, allumina di spessore variabile in questo caso. Il materiale di origine di allumina è stato ottenuto sotto forma di un diametro di 50,8 mm, 6,35 mm spessore polverizza obiettivo di ossido di alluminio (99,5% puro).
- Sfiato della DC magnetron sputtering camera di deposizione e rimuovere il campione preparato. (Tabella dei materiali). Il protocollo può essere messo in pausa qui.
2. bagnabilità e acquaforte
- Posto il campione preparato su una piastra calda pre-riscaldata. Per il film di 5 nm oro ricoperta con allumina, riscaldare il campione a 300 ° C e lasciare il campione sasi per 1 h. Il protocollo può essere messo in pausa qui.
- Etch l'allumina lasciando l'oro e il sottostante substrato di SiO2/Si con 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (in % wt) soluzione a 80 ° C per 1 h. nota che il processo viene eseguito in un cappuccio e tutte le precauzioni per trattare con materiale pericoloso corrosivo e ambientale dovrebbe essere presa. Il protocollo può essere messo in pausa qui.
3. caratterizzazione
- Preparare il campione per essere vuoto compatibile risciacquando con acetone e alcool isopropilico seguita da asciugatura con N2.
- I film di nanoparticelle mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) di immagini sotto alto vuoto e ad alto ingrandimento (50, 000 X ingrandimento in questo caso per risolvere le nanoparticelle di dimensioni minime). Il protocollo può essere messo in pausa qui.
- Eseguire l'analisi di immagine per ottenere informazioni di dimensioni delle nanoparticelle e distribuzioni di spaziatura. L'analisi di immagine viene eseguita utilizzando un codice basato su MATLAB che soglie l'immagine in scala di grigi, esegue la riduzione del rumore e delle particelle routine15di riempimento.
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Representative Results
Il protocollo descritto qui è stato utilizzato per i metalli più e ha dimostrato la capacità di produrre nanoparticelle su un substrato su vasta area, con dimensione controllabile e spaziatura. La figura 1 Mostra il protocollo con risultati rappresentativi, mostrando la capacità di controllare la dimensione di nanoparticelle fabbricato e spaziatura. Quando in seguito questo protocollo, il risultato, che è il film di nanoparticelle fabbricato con dimensione e spaziatura distribuzioni, sarà dipende la scelta del metallo, la scelta del substrato, la scelta di tappatura strato di materiale, lo spessore del metallo e la tappatura spessore dello strato. Regolando uno qualsiasi di questi parametri, si aspetta un turno e il cambiamento in queste distribuzioni. Ad esempio, il film di 5 nm oro in SiO2 con Al2O3 tappatura strato di spessore di 0 nm, 5 nm, 10 nm e 20 nm risultato in media di nanoparticelle raggi di 14,2 nm, 18,4 nm, 17,3 nm e 15,6 nm , rispettivamente, una spaziatura media di nanoparticelle di 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm e 47,2 nm, rispettivamente.
Figura 1: immagine grafica del protocollo e rappresentante dei risultati. Gli istogrammi presentati sono il midollo (in alto a sinistra) e la distribuzione di raggi (in basso a sinistra) della particella. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: immagine SEM The No-capping layer (a) e campioni con 5 (b), 10 (c) e 20 nm (d) strato di coperchiamento. Il cambiamento nelle dimensioni delle particelle e le distribuzioni sono evidenti confrontando le immagini. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Il protocollo è un processo semplice e fattibile per un processo di nano-fabbricazione per la produzione di nanoparticelle su un substrato su vaste aree con caratteristiche controllabile. Il fenomeno dewetting, che conduce alla produzione di particelle, si basa sulla tendenza dello strato dewetted per raggiungere la minima energia di superficie. Il controllo sopra le dimensioni e la forma delle particelle è mirato con la deposizione di una seconda superficie sul livello principale per ottimizzare le energie superficiali e l'equilibrio finale tra l'adesione e l'energia necessaria per piegare il capping layer sulle particelle determina diversi regimi dewetting, che conducono a diverse morfologie di superficie. Questo protocollo è stato progettato e dimostrato basato su apparecchiature e processi che sono in genere accessibili a chiunque con base microfabbricazione attrezzature e capacità di processo. Nell'approccio dimostrato, ulteriore controllo sopra la distribuzione delle nanoparticelle finale ottenibile modificando lo spessore del film di metallo, lo spessore dello strato di protezione, materiale del substrato e il materiale di strato di cap. Tra queste variabili di processo, è possibile una vasta gamma di dimensioni delle nanoparticelle e la spaziatura.
L'aggiunta di ulteriori passaggi o sostituendo le tecniche utilizzate nel protocollo corrente può fornire ulteriori modifiche del processo conseguente più controllo sopra le distribuzioni delle nanoparticelle, tra cui la più ampia gamma di dimensioni delle nanoparticelle e spaziatura, restringimento le distribuzioni delle nanoparticelle, o la capacità di produrre film di nanoparticelle multimodale. Questo protocollo è stato progettato e dimostrata con un'enfasi sull'accessibilità e basso costo. Se si desidera più vasta, l'uso di un sistema rapido di ricottura termica o irradiazione laser cambierà la velocità di riscaldamento e garantiscono un maggiore controllo delle nanoparticelle. Se si desidera una distribuzione multimodale delle nanoparticelle, passaggi intermedi della litografia (litografia a fascio di elettroni o fotolitografia) possono essere aggiunti prima deposizione metallica o prima deposizione strato cap. Il passo (s) Litografia si tradurrà in uno strato di metallo o tappo di spessore variabile in tutta la superficie e quindi una distribuzione differente delle nanoparticelle.
Un'altra modifica che può essere fatto facilmente è in metallo desiderato, a seconda dell'applicazione specifica del film di nanoparticelle. Qui, la dimostrazione oro usato a causa delle proprietà plasmoniche, ma allo stesso modo, si potrebbero desiderare una nanoparticella metallica o altre nanoparticelle plasmoniche o persino una nanoparticelle core-shell. Ciò si ottiene modificando il materiale metallico. Questa modifica interesserà la distribuzione delle nanoparticelle risultante a causa delle differenze nelle energie superficiali, ma ci si aspetterebbe le stesse tendenze. Si noti che lo spessore dello strato tappatura consente di controllare la dimensione delle nanoparticelle e la spaziatura risultante. Per i nuovi sistemi materiali, sarà necessari una comprensione della portata del controllo.
Questo protocollo è stato progettato per eliminare il problema di fabbricazione di grande superficie substrato a base di nanoparticelle per applicazioni che vanno dalla conversione di energia solare di archiviazione dei dati ad alta densità. Queste applicazioni richiedono una grande area di nanoparticelle con nanoparticelle ben definite e controllate. Le tecniche utilizzate nei laboratori di ricerca per studiare l'impatto che le nanoparticelle hanno in queste applicazioni coinvolto costose attrezzature e processi ad alta intensità di tempo, che li rende impraticabile per applicazioni industriali. Questo protocollo ha dimostrato il livello di controllo necessario basato su accessibili e veloci passaggi di elaborazione.
Questo protocollo ha il potenziale per essere una tecnica rivoluzionaria per la produzione di qualsiasi film di nanoparticelle che richiedono l'elaborazione basata su substrato. Questa dimostrazione è stato fatto solo con un unico sistema di materiale, ma più ricerca avverrà a breve termine per esplorare tutte le funzionalità di controllo e personalizzazione che viene fornito dal presente protocollo.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Riconosciamo il sostegno fornito dal fondo Core microscopia Utah State University per il risultato di SEM. Riconosciamo anche la National Science Foundation (Premio n. 162344) per DC Magnetron Sputtering System, la National Science Foundation (Premio n. 133792) per il (campo elettroni e ioni) FEI Quanta 650 e il dipartimento dell'energia, Università di energia nucleare Programma per il 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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