Summary
Detta protokoll Detaljer ny nano-tillverkning teknik som kan användas för att göra kontrollerbar och anpassningsbara nanopartiklar filmer över stora områden baserat på den självmontering av dewetting av utjämnade metall filmer.
Abstract
Senaste vetenskapliga framstegen vid utnyttjande av metalliska nanopartiklar för förbättrad energieffektivitet för konvertering, förbättrade optiska enhetens prestanda och data med hög densitet lagring har visat nyttan av deras användning i industriella applikationer. Dessa program kräver exakt kontroll över nanopartiklar storlek, avstånd och ibland formen. Dessa krav har resulterat i användning av tid och kostar intensiv bearbetningssteg för att producera nanopartiklar, vilket gör övergången till industriella tillämpningen orealistiska. Detta protokoll kommer att lösa problemet genom att tillhandahålla en skalbar och prisvärd metod för stora ytor produktion av nanopartiklar filmer med förbättrad nanopartiklar kontroll jämfört med de nuvarande teknikerna. I denna artikel, processen kommer att demonstreras med guld, men andra metaller kan också användas.
Introduction
Large-området nanopartiklar film fabrication är kritiskt viktigt för antagande av senaste teknologiska framstegen inom solenergi konvertering och data med hög densitet lagring med hjälp av plasmoniska nanopartiklar1,2, 3 , 4 , 5. intressant, det är de magnetiska egenskaperna av några av dessa plasmoniska nanopartiklar, som ger dessa nanopartiklar med förmågan att manipulera och kontrollera ljus på nanonivå. Detta styrbarhet av ljus ger möjligheten att öka ljus entrapment av det infallande ljuset på nanonivå och absorptivity av ytan. Baserat på dessa samma egenskaper och att ha möjligheten att ha nanopartiklar i antingen en magnetiserade och en icke-magnetiseras stat, definierar forskare också en ny plattform för lagring av digitala data med hög densitet. I varje av dessa program, är det viktigt att ett stort område och prisvärda närfältsmikroskop teknik utvecklas som möjliggör kontroll av nanopartiklar storlek, avstånd och formen.
De tillgängliga teknikerna för att producera nanopartiklar är mestadels baserade på nanoskala litografi, som har betydande skalbarhet och kostnad frågor. Det har varit flera olika studier som har försökt att ta itu med skalbarhet problemet av dessa tekniker, men hittills, ingen process finns som ger nivån av kontroll som behövs för nanopartiklar tillverkning och är kostnad och tid tillräckligt effektiva för antagande i industriella tillämpningar6,7,8,9,10,11. Några nyligen forskningsinsatser förbättrats Verifierbarheten av pulsad laser inducerad dewetting (PLiD) och mallade solid-state dewetting12,13,14, men de har fortfarande betydande krävs litografi steg och därmed skalbarhet problemet.
I detta manuskript presenterar vi protokollet av en närfältsmikroskop metod som kommer att ta denna skalbarhet och frågan som har plågat antagande och användning av nanopartiklar filmer i utbredd industriella tillämpningar. Denna bearbetningsmetod tillåter kontroll över producerade nanopartiklar storlek och avstånd genom att manipulera de ytenergier som dikterar de självmontering av de nanopartiklar bildas. Här visar vi användningen av denna teknik med en tunna guld film som producerar guld nanopartiklar, men vi har nyligen publicerat en något annorlunda version av den här metoden använder en nickel film och således denna teknik kan användas med någon önskad metall. Målet med denna metod är att producera nanopartiklar filmer samtidigt som du minimerar kostnaderna och komplexiteten i processen och därmed har vi ändrat vårt tidigare arbetssätt som används atomlager nedfall och nanosekund laser irradiation på ett Ni-aluminiumoxid system och ersattes dem med fysisk förångningsdeposition och en värmeplatta. Resultatet av vårt arbete på ett Ni-aluminiumoxid system visade också en acceptabel nivå av kontroll på morfologin av ytan efter de dewetting15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Obs: Stora ytor tillverkning av kontrollerbar och anpassningsbara guld nanopartiklar filmer uppnås genom att följa de detaljerade protokollet. Protokollet följer tre huvudområden som är (1) substrat förberedelse, (2) dewetting och etsning och (3) karakterisering.
1. substrat förberedelse
- Ren den substrat (100 nm SiO2 på Si) med en aceton skölj följt av en isopropylalkohol skölj och torka sedan med en ström av N2 gas.
- Läsa in substratet i systemets termiska förångaren och evakuera för att nå önskat tryck för nedfall av metall filmen. Se till att kammaren evakueras till ett tryck storleksordningen 10-6 Torr för avlägsnande av luft och vattenånga i kammaren.
- Med hjälp av termiska förångaren, deponera guld filmen på önskad tjocklek (5 nm i detta fall). Guld källmaterialet erhölls i form av 0,5 mm diameter tråd guld (99,99% ren). Observera att kontrollen tjocklek i alla nedfall stadier utförs av kalibrering av maskinen, med tanke på alla viktiga parametrar och bokför mätning av tjockleken. I båda nedfall stadier, argon trycket är ett par millitorrs (1-5 mTorr), och intervallet ges som olika tryck väljs att kalibrera för insvetstal.
- Vent och avlägsna underlaget med insatta metallfilm från systemets termiska förångaren. Protokollet kan pausas här.
- Läsa in underlaget med insatta metallfilm i likström (DC) magnetron fräsande nedfall systemet och evakuera för att nå önskat tryck för nedfall av tak filmen (Tabell för material).
- Leta upp provet i maskinen, lägga provet i lasten överför lås och enheten provet till den huvudsakliga nedfall kammaren att säkerställa en tillräcklig nivå av vakuum. Observera att nedfallet av aluminiumoxid utjämningen av fördelningssatserna lager sagor plats i nästa steg och detta steg förklarar processen att placera provet i apparaten och hur provet överförs till avdelningen som huvudsakliga nedfall.
- Insättning i tak lagret av önskat material och tjocklek. Observera att nedfallet av aluminiumoxid följer ett liknande förfarande och villkora av guld lager nedfall, varierande tjocklek aluminiumoxid i detta fall. Aluminiumoxid källmaterialet erhölls i form av en 50,8 mm diameter, 6,35 mm tjocka fräsande mål av aluminiumoxid (99,5% ren).
- Vent DC magnetron sputter deposition kammaren och ta bort det beredda provet. (Tabell material). Protokollet kan pausas här.
2. dewetting och etsning
- Placera det beredda provet på en förvärmd värmeplatta. För filmens 5 nm guld utjämnade med aluminiumoxid, Värm provet vid 300 ° C och låt provet till dewet för 1 h. Protokollet kan pausas här.
- Etch på aluminiumoxid samtidigt lämnar guld och underliggande SiO2/Si substrat med en 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (i wt %) lösning vid 80 ° C för 1 h. Observera att processen utförs i en huva och alla försiktighetsåtgärder för att hantera frätande och miljömässigt farligt material bör tas. Protokollet kan pausas här.
3. karakterisering
- Förbereda provet vara vakuum kompatibla genom att skölja med aceton och isopropylalkohol följt av torkning med N2.
- Bild nanopartiklar filmerna använder scanning electron microscopy (SEM) under hög vakuum och vid hög förstoring (50, 000 X förstoring i detta fall att lösa de minsta storlek nanopartiklarna). Protokollet kan pausas här.
- Utföra bildanalys för att få information av nanopartiklar storlek och avstånd distributioner. Bildanalys är gjort med en MATLAB-baserade kod att tröskelvärden gråskalebilden, utför brusreducering och partikel fylla rutiner15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Protokollet beskrivs här har använts för flera metaller och har visat förmågan att producera nanopartiklar på ett substrat över stora ytor, med kontrollerbar storlek och avstånd. Figur 1 visar protokollet med representativa resultat visar möjligheten att styra fabricerade nanopartiklar storlek och avstånd. När du följer detta protokoll, resultatet, vilket är den påhittade nanopartiklar filmen med storlek och avstånd distributioner, kommer att vara beroende av valet av metall, Val av substrat, valet av tak lager material, metall tjocklek och utjämningen av fördelningssatserna skiktets tjocklek. Genom att justera något av dessa parametrar, kan ett skift och förändring i dessa distributioner förväntas. Som ett exempel, 5 nm guld filmen på SiO2 med en Al2O3 tak lager av tjocklekar 0 nm, 5 nm, 10 nm, och 20 nm-resultat i genomsnitt nanopartiklar radier av 14,2 nm, 18,4 nm, 17,3 nm och 15,6 nm , respektive en genomsnittlig nanopartiklar avstånd av 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm och 47,2 nm, respektive.
Figur 1: grafisk bild av protokollet och representant. Histogrammen presenteras är märg (överst till vänster) och radier (nederst till vänster) distribution av partikeln. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: The SEM-bild av nr-capping skikt (a) och prover med 5 b, 10 c och 20 nm (d) tak lager. Förändringen i partikelstorlek och distributioner är uppenbara jämföra bilderna. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet är en genomförbar och enkel process för en nano-tillverkningsprocess för att producera nanopartiklar på ett substrat över stora områden med kontrollerbara egenskaper. Dewetting fenomenet, vilket leder till produktion av partiklar, är baserad på det dewetted skiktet tendens att uppnå lägsta ytenergi. Kontroll över storleken och formen av partiklarna är inriktad med nedfall av en andra yta på huvudnivån att finjustera ytenergier, och den slutliga jämvikten mellan vidhäftningen och energi krävs för att böja lagrets tak på partiklarna bestämmer olika dewetting regimer, som leder till olika surface morfologier. Detta protokoll har utformats och visat baserat på utrustning och processer som är vanligtvis tillgängliga för alla med grundläggande mikrofabrikation utrustningen och processen kapacitet. I metoden visat kan ytterligare kontroll över den slutliga nanopartiklar fördelningen uppnås genom att ändra tjockleken metallfilm, cap lagrartjockleken, substratmaterialet och cap lager material. Mellan dessa processvariabler, kan ett brett utbud av nanopartiklar storlek och avstånd uppnås.
Lägga till ytterligare steg eller ersätta tekniker som används i det nuvarande protokollet kan ge ytterligare modifiering av den process som resulterar i mer kontroll över de Nanopartikel-distributioner, inklusive bredare utbud av nanopartiklar storlek och avstånd, förträngning av nanopartiklar fördelningarna, eller förmågan att producera multimodala nanopartiklar filmer. Detta protokoll var utformade och påvisade med fokus på tillgänglighet och låg kostnad. Om mer utbud önskas, kommer användningen av ett system för snabb termisk glödgning eller laser irradiation ändra värme och ge fler nanopartiklar kontroll. Om en multimodala nanopartiklar distribution önskas, kan mellanliggande steg av litografi (electron beam litografi eller photolithography) läggas inför metall nedfall eller cap lager nedfall. Litografi stegen kommer att resultera i ett varierande tjocklek metall eller cap lager över ytan och därmed olika nanopartiklar utdelning.
En annan ändring som kan göras enkelt är i önskad metall, beroende på den specifika tillämpningen av nanopartiklar filmen. Här, demonstrationen används guld på grund av plasmoniska egenskaperna, men likaså en metalliskt nanopartiklar eller andra plasmoniska nanopartiklar, eller ens en core-shell nanopartiklar kan önska. Detta uppnås genom att ändra metallfilm materialet. Denna ändring påverkar den resulterande nanopartiklar distributionen på grund av skillnader i ytenergier, men samma trender förväntas. Observera att tjockleken av lagrets tak erbjuder kontroll över resulterande nanopartiklar storlek och avstånd. För nya materiella system behövs en förståelse av omfattningen av kontrollen.
Detta protokoll var utformad för att eliminera problemet av stora ytor substrat-baserade nanopartiklar tillverkning för tillämpningar som sträcker sig från solenergi konvertering till data med hög densitet lagring. Dessa applikationer kräver ett stort-område av nanopartiklar med väldefinierade och kontrollerade nanopartiklar. De tekniker som används i forskningslaboratorier för att studera vilken inverkan att nanopartiklar i dessa applikationer inneburit dyr utrustning och tid intensiva processer, vilket gör dem omöjligt för industriella applikationer. Detta protokoll har visat kontrollnivån som behövs baserat på prisvärd och snabb bearbetningssteg.
Detta protokoll har potential att bli en revolutionerande teknik för produktion av någon Nanopartikel-filmer som kräver substrat-baserad behandling. Denna demonstration var bara klar med ett enda materiella system, men mer forskning kommer att ske på kort sikt att utforska den fulla kapaciteten av kontroll och anpassning som tillhandahålls av detta protokoll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
Vi erkänner stödet från mikroskopi Core Facility vid Utah State University för SEM resultat. Vi erkänner också National Science Foundation (Award nr 162344) för Magnetron Sputtering likströmssystemet, National Science Foundation (Award nr 133792) för (fältet elektron och Ion) FEI Quanta 650, och Department of Energy, Nuclear Energy University Program för den 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
- Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T., Green, M. A. Surface plasmon enhanced silicon solar cells. Journal of Applied Physics. 101 (9), 093105 (2007).
- Ding, B., Lee, B. J., Yang, M., Jung, H. S., Lee, J. -K. Surface-Plasmon Assisted Energy Conversion in Dye-Sensitized Solar Cells. Advanced Energy Materials. 1 (3), 415-421 (2011).
- Tehrani, S., Chen, E., Durlam, M., DeHerrera, M., Slaughter, J. M., Shi, J., Kerszykowski, G. High density submicron magnetoresistive random access memory (invited). Journal of Applied Physics. 85 (8), 5822-5827 (1999).
- Ross, C. A., et al. Fabrication of patterned media for high density magnetic storage. Journal of Vacuum Science & Technology B. 17, 3168 (1999).
- Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. Nanomaterials for optical data storage. Nature Reviews Materials. 1, 16070 (2016).
- Mock, J. J., Barbic, M., Smith, D. R., Schultz, D. A., Schultz, S. Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles. The Journal of Chemical Physics. 116 (15), 6755-6759 (2002).
- Su, K. -H. A., et al. Interparticle Coupling Effects on Plasmon. Resonances of Nanogold Particles, Nano Letters. 3 (8), 1087-1090 (2003).
- Lee, K., El-Sayed, M. A. Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition. The Journal of Physical Chemistry B. 110 (39), 19220-19225 (2006).
- Grzelczak, M., Prez-Juste, J., Mulvaney, P., Liz-Marzn, L. M. Shape control in gold nanoparticle synthesis. Chemical Society Reviews. 37 (9), 1783-1791 (2008).
- Ye, J., Thompson, C. Templated Solid-State Dewetting to Controllably Produce Complex Patterns. Advanced Materials. 23 (13), 1567-1571 (2011).
- Huang, J., Kim, F., Tao, A., Connor, S., Yang, P. Spontaneous formation of nanoparticle stripe patterns through dewetting. Nature Materials. 4, 896-900 (2005).
- Hughes, R. A., Menumerov, E., Neretina, S. When lithography meets self-assembly: a review of recent advances in the directed assembly of complex metal nanostructures on planar and textured surfaces. Nanotechnology. 28 (28), 282002 (2017).
- Kim, D., Giermann, A. L., Thompson, C. V. Solid-state dewetting of patterned thin films. Applied Physics Letters. 95 (25), 251903 (2009).
- Fowlkes, J. D., Doktycz, M. J., Rack, P. D. An optimized nanoparticle separator enabled by electron beam induced deposition. Nanotechnology. 21 (16), 165303 (2010).
- White, B. C. A., et al. The Effect of Different Thickness Alumina Capping Layers on the Final Morphology of Dewet Thin Ni Films. Applied Physics A. 124 (3), 233 (2018).
