Summary
Este protocolo detalla una técnica novedosa de nano-fabricación que puede utilizarse para hacer películas de nanopartículas controlable y adaptable sobre grandes áreas basadas en el autoensamblaje de dewetting de películas de metal tapadas.
Abstract
Recientes avances científicos en la utilización de nanopartículas metálicas para mayor eficiencia de conversión, dispositivo óptico mejorado rendimiento y almacenamiento de datos de alta densidad han demostrado el beneficio potencial de su uso industrial aplicaciones. Estas aplicaciones requieren un control preciso sobre el tamaño de nanopartículas, espaciamiento y a veces la forma. Estos requisitos han resultado en el uso del tiempo y costo pasos de tratamiento intensivo para producir nanopartículas, por lo que la transición a la aplicación industrial poco realista. Este protocolo se resolverá este problema proporcionando un método escalable y asequible para la producción de la gran superficie de nanopartículas películas con nanopartículas mejora control en comparación con las técnicas actuales. En este artículo, el proceso se demostrará con el oro, pero también pueden utilizarse otros metales.
Introduction
Fabricación de película de gran superficie nanopartículas es críticamente importante para la adopción de avances tecnológicos recientes en conversión de energía solar y almacenamiento de datos de alta densidad con el uso de nanopartículas plasmónica1,2, 3 , 4 , 5. es interesante, las propiedades magnéticas de algunas de estas nanopartículas plasmónica, que proporcionan estas nanopartículas capaces de manipular y controlar la luz a escala nanométrica. Esta capacidad de control de la luz ofrece la posibilidad de atrapamiento de la luz de la luz incidente en la nanoescala de mejorar y aumentar la absortividad de la superficie. Basado en estas mismas propiedades y tener la capacidad para tener las nanopartículas ya sea un imán y un estado no-magnetizado, los científicos también están definiendo una nueva plataforma para el almacenamiento de datos digitales de alta densidad. En cada una de estas aplicaciones, es fundamental que un área grande y nanofabricación asequible técnica es desarrollada que permite el control de forma, espacio y tamaño de nanopartículas.
Las técnicas disponibles para producir nanopartículas se basan sobre todo en litografía a nanoescala, escalabilidad importante que cuestiones de costos. Han sido múltiples los diferentes estudios que han intentado abordar el problema de escalabilidad de estas técnicas, pero hasta la fecha, ningún proceso existe que proporciona el nivel de control necesario para la fabricación de nanopartículas y es costo y el tiempo lo suficientemente eficaz para adopción en aplicaciones industriales6,7,8,9,10,11. Requieren algunos recientes esfuerzos de investigación mejoraron la controlabilidad de láser pulsado inducida dewetting (PLiD) y con plantillas estado sólido dewetting12,13,14, pero todavía tienen importantes pasos de la litografía y por lo tanto el problema de escalabilidad.
En este manuscrito, presentamos el protocolo de un método de nanofabricación que abordará este problema de escalabilidad y el costo que ha plagado la adopción y uso de nanopartículas en aplicaciones industriales generalizadas. Este método permite el control sobre la producción de nanopartículas del tamaño y espaciado manipulando las energías superficiales que dictan el autoensamblaje de las nanopartículas que se forman. Aquí, demostramos que el uso de esta técnica utilizando una fina película de oro para producir nanopartículas de oro, pero recientemente hemos publicado una versión ligeramente distinta de este método utilizando una película de níquel y así esta técnica se puede utilizar con cualquier metal deseado. El objetivo de este método es producir películas de nanopartículas y reducir al mínimo el costo y la complejidad de los procesos y por lo tanto hemos modificado nuestro enfoque anterior, que utiliza deposición de capa atómica y la irradiación del laser de nanosegundos en un sistema de Ni-alúmina y se sustituye ellas con deposición física de vapor y un plato caliente. El resultado de nuestro trabajo en un sistema Ni alúmina también demostraron un nivel aceptable de control sobre la morfología de la superficie después del dewetting15.
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Protocol
Nota: La fabricación de gran superficie de nanopartículas de oro controlable y adaptable películas se logra siguiendo el protocolo detallado. El protocolo sigue tres grandes áreas que son la preparación del sustrato (1), (2) dewetting y grabado y (3) caracterización.
1. preparación del sustrato
- Limpie el sustrato (100 nm SiO2 en Si), usar un enjuague de acetona seguido de un enjuague de alcohol isopropílico y séquelo utilizando una secuencia de N2 .
- Cargue el sustrato en el sistema de evaporador térmico y evacuar para alcanzar la presión deseada para la deposición del metal. Asegúrese de que la cámara se evacua a una presión del orden de 10-6 Torr para la eliminación de aire y vapor de agua en la cámara.
- Usando el evaporador térmico, depósito de la película de oro en el espesor deseado (5 nm en este caso). El material de fuente de oro se obtuvo en forma de alambre de diámetro de 0,5 mm de oro (99.99% puro). Tenga en cuenta que el control de espesores para todas las fases de deposición se realiza en la calibración de la máquina, teniendo en cuenta todos los parámetros importantes y posterior medición del espesor. En ambas etapas de deposición, la presión de argón es un par de millitorrs (1-5 mTorr), y la gama se da como diferentes presiones se eligen para calibrar la velocidad de deposición.
- Ventilar y eliminar el substrato con la película metálica depositada en el sistema de evaporador térmico. El protocolo puede hacer una pausa aquí.
- Cargue el sustrato con película metálica depositada en el sistema de corriente continua (CC) magnetrón farfulle la deposición y evacuar para alcanzar la presión deseada para la deposición de la película que capsula (Tabla de materiales).
- Para ubicar la muestra en la máquina, coloca la muestra en la carga de la cerradura y el dispositivo transfiere la muestra a la cámara de deposición principal asegurar un nivel de vacío suficiente. Tenga en cuenta que la deposición de la nivelación de alúmina capa lugar de cuentos en el siguiente paso y este paso es explicar el proceso de colocar la muestra en el aparato y cómo se transfiere la muestra a la cámara del depósito principal.
- Depósito de la capa de tapado del material deseado y grueso. Tenga en cuenta que la deposición de la alúmina sigue un procedimiento similar y condiciones de la deposición de la capa de oro, alúmina de espesor variable en este caso. El material de fuente de alúmina se obtuvo en forma de un diámetro de 50,8 mm, 6,35 mm espesor Farfullar objetivo de óxido de aluminio (99.5% de pureza).
- Ventilar la cámara de deposición DC magnetrón sputter y retire la muestra preparada. (Tabla de materiales). El protocolo puede hacer una pausa aquí.
2. dewetting y aguafuerte
- Colocar la muestra preparada en un plato caliente precalentado. Para la película de oro nm 5 con alúmina, calentar la muestra a 300 ° C y la muestra a dewet durante 1 hora. El protocolo puede hacer una pausa aquí.
- Grabe la alúmina mientras dejando el oro y subyacentes de SiO2/Si substrato con un 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (en % de peso) debe tomarse la solución a 80 ° C por 1 h. Nota que el proceso se realiza en una campana y todas las precauciones para tratar con material peligroso corrosivo y ambiental. El protocolo puede hacer una pausa aquí.
3. Caracterización
- Preparar la muestra para ser vacío compatible mediante enjuague con acetona y alcohol isopropílico, seguido por secado con N2.
- Las películas de nanopartículas mediante microscopía electrónica (SEM) de la imagen en alto vacío y a alta magnificación (50, 000 X aumento en este caso para resolver las nanopartículas de tamaño mínimas). El protocolo puede hacer una pausa aquí.
- Realizar análisis de imagen para obtener información del tamaño de nanopartículas y de distribuciones de espacio. El análisis de imagen se realiza utilizando un código basado en MATLAB que umbrales realiza la imagen en escala de grises, reducción de ruido y partículas de relleno rutinas15.
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Representative Results
El protocolo descrito aquí ha sido utilizado para varios metales y ha demostrado la capacidad para producir nanopartículas sobre un sustrato en gran superficie, con tamaño controlable y espaciado. La figura 1 muestra el protocolo con resultados representativos mostrando la capacidad de controlar el tamaño de nanopartículas fabricadas y espaciado. Al seguir este protocolo, el resultado, que es la película de nanopartículas fabricadas con tamaño y distribución de espacio, dependerá la elección del metal, la elección del sustrato, la elección del material de la capa, el espesor del metal y el recubrimiento para envases espesor de la capa. Mediante el ajuste de alguno de estos parámetros, se espera un cambio y un cambio en estas distribuciones. Por ejemplo, la película de oro nm 5 en SiO2 Al2O3 tapado capa de espesores de 0 nm, 5 nm, 10 nm y 20 nm resultado en radios de nanopartículas promedio de 14.2 nm, 18,4 nm, 17.3 nm y 15,6 nm , respectivamente, un espaciado de nanopartículas promedio de 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm y 47.2 nm, respectivamente.
Figura 1: imagen gráfica de los resultados del protocolo y representante. Los histogramas presentados son la médula (arriba izquierda) y la distribución de radios (inferior izquierda) de la partícula. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: SEM la imagen de capa capsular No (a) y muestras con 5 (b), 10 (c) y 20 nm (d) tapado capa. El cambio de tamaños de partícula y distribución es evidente comparando las imágenes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El protocolo es un proceso fácil y factible para un proceso de nano-fabricación para la producción de nanopartículas en un substrato en grandes zonas con características controlables. El fenómeno dewetting, que conduce a la producción de partículas, se basa en la tendencia de la capa de dewetted para lograr la mínima energía superficial. El control sobre el tamaño y la forma de las partículas está orientado con la deposición de una segunda superficie de la capa principal para sintonizar las energías superficiales, y el equilibrio final entre la adhesión y la energía necesaria para doblar la capa capsular en las partículas determina diferentes regímenes dewetting, que conducen a diferentes morfologías superficiales. Este protocolo ha sido diseñado y demostrado basado en equipos y procesos que son normalmente accesibles a cualquier persona con capacidades de proceso y equipo básico de microfabricación. En el enfoque demostrado, control adicional sobre la distribución de nanopartículas final se logra cambiando el espesor de película de metal, el espesor de la capa de la tapa, el sustrato y el material de la capa de la tapa. Entre estas variables de proceso, se logra una amplia gama de nanopartículas del tamaño y espaciado.
Agregar pasos adicionales o sustituyendo las técnicas utilizadas en el protocolo actual puede proporcionar la modificación adicional del proceso que resulta en mayor control sobre la distribución de nanopartículas, incluyendo la más amplia gama de nanopartículas de tamaño y espaciamiento, estrechamiento de de las distribuciones de nanopartículas, o la capacidad de producir películas de nanopartículas multimodal. Este protocolo fue diseñado y demostrado con un énfasis en la accesibilidad y bajo costo. Si desea mayor alcance, el uso de un sistema rápido de recocido térmico o irradiación del laser de cambiar la velocidad de calentamiento y proporcionan más control de nanopartículas. Si se desea una distribución multimodal nanopartículas, pasos intermedios de la litografía (litografía por haz de electrones o fotolitografía) pueden añadirse antes de deposición de metal o deposición de la capa de la tapa. Los pasos de la litografía se traducirá en una capa de metal o de grosor variable en toda la superficie y una distribución de nanopartículas diferentes.
Otra modificación que se puede hacer fácilmente es en el metal deseado, dependiendo de la aplicación específica de la película de nanopartículas. Aquí, la demostración utiliza oro debido a las propiedades de la plasmónica, pero del mismo modo, se podría desear una nanopartícula metálica u otras nanopartículas plasmónica o incluso una nanopartícula de core-shell. Esto se logra cambiando el material de película metálica. Este cambio afectará la distribución de nanopartículas resultante debido a las diferencias en energías de superficie, pero se espera la misma tendencia. Tenga en cuenta que el espesor de la capa que capsula proporciona control sobre las nanopartículas del tamaño y espaciado resultante. Nuevos sistemas materiales, será necesario comprender el grado de control.
Este protocolo fue diseñado para eliminar el problema de la fabricación de gran superficie sustrato basado en nanopartículas para aplicaciones que van desde la conversión de energía solar para almacenamiento de datos de alta densidad. Estas aplicaciones requieren una gran superficie de nanopartículas con nanopartículas bien definidas y controladas. Las técnicas que se utilizan en laboratorios de investigación para estudiar el impacto que las nanopartículas han implicado en estas aplicaciones equipo costoso y tiempo intensivo procesos, haciéndolos inviables para aplicaciones industriales. Este protocolo ha demostrado el nivel de control necesitada basado en pasos de procesamiento rápida y asequible.
Este protocolo tiene el potencial para ser una revolucionaria técnica para la producción de cualquier películas de nanopartículas que requieren procesamiento basado en el sustrato. Esta demostración se realizó sólo con un único sistema material, pero más investigación se hará en el corto plazo para explorar todas las funciones de control y personalización que es proporcionado por este protocolo.
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Disclosures
Los autores no tienen nada que revelar.
Acknowledgments
Reconocemos el apoyo de las instalaciones centrales para microscopia en la Utah State University para el resultado de la SEM. También reconocemos la National Science Foundation (Premio #162344) para el sistema DC magnetrón Sputtering, la National Science Foundation (Premio #133792) (campo de electrones y iones) FEI Quanta 650 y el Departamento de energía de la Universidad de Energía Nuclear Programa para el 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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