Summary
Denne protokol beskriver en ny nano-fremstilling teknik, der kan bruges til at lave film, kontrollerbar og kan tilpasses nanopartikel over store områder baseret på den samlesæt af dewetting af udjævnede metal film.
Abstract
De seneste videnskabelige fremskridt i udnyttelsen af metallisk nanopartikel for øget energi konverteringseffektivitet, forbedret optisk enhed ydeevne og high density datalagring har vist den potentielle fordel for deres anvendelse i industrielle applikationer. Disse programmer kræver præcis kontrol over nanopartikel størrelse, afstand, og undertiden form. Disse krav har resulteret i brug af tid og koste intensiv behandlingstrin for at producere nanopartikler, hvilket gør overgangen til industribrug urealistisk. Denne protokol vil løse dette problem ved at give en skalerbar og billig metode til store flader produktion af nanopartikel film med forbedret nanopartikel kontrol i forhold til de nuværende teknikker. I denne artikel, processen vil blive demonstreret med guld, men andre metaller kan også bruges.
Introduction
Large-området nanopartikel film fabrikation er af afgørende betydning for vedtagelsen af de seneste teknologiske fremskridt i solenergi konvertering og high density datalagring med brug af plasmonic nanopartikler1,2, 3 , 4 , 5. det er interessant, er de magnetiske egenskaber af nogle af disse plasmonic nanopartikler, som giver disse nanopartikler med evnen til at manipulere og kontrollere lys på nanoplan. Denne kontrollerbarhed lysets giver mulighed for at forbedre lys fastklemning af det indfaldende lys på nanoskalaen og øge optagelighed af overfladen. Baseret på disse samme egenskaber og har mulighed for at have nanopartikler i enten en magnetiseret og en ikke-magnetisk stat, forskere også definere en ny platform for high-density digitale dataopbevaring. I hvert af disse programmer, er det kritisk at et stort område og overkommelig nanofabrication teknik er udviklet at tillader nemlig kontrol af nanopartikel størrelse, afstand og form.
De tilgængelige teknikker til at producere nanopartikler er hovedsagelig baseret på nanoskala litografi, som har betydelige skalerbarhed og koste spørgsmål. Der har været flere forskellige undersøgelser, der har forsøgt at løse skalerbarhed problemet af disse teknikker, men til dato, ingen proces eksisterer der giver niveauet af kontrol nødvendig for nanopartikel fabrikation og omkostninger og tid effektiv nok til vedtagelse i industrielle applikationer6,7,8,9,10,11. Nogle nylige forskningsindsats bedre kontrollerbarhed pulserende laser induceret dewetting (PLiD) og skabelonbaseret solid-state dewetting12,13,14, men de har stadig væsentlig kræves litografi trin og dermed skalerbarhed problem.
I dette manuskript præsenterer vi protokollen af en nanofabrication metode, der vil løse problemet skalerbarhed og omkostninger, der har plaget vedtagelse og anvendelse af nanopartikel film i udbredt industrielle applikationer. Denne behandling metode giver kontrol over de fremstillede nanopartikler størrelse og afstand ved at manipulere de overflade energier, der dikterer den samlesæt af nanopartikler dannet. Her, vi demonstrere brugen af denne teknik ved hjælp af en tynd guld film til at producere guld nanopartikler, men vi har for nylig offentliggjort en lidt anden version af denne metode, ved hjælp af en nikkel film og dermed denne teknik kan bruges med alle ønskede metal. Målet med denne metode er at producere nanopartikel film samtidig minimere omkostningerne og kompleksiteten af processen og dermed vi har ændret vores tidligere tilgang, der anvendes atomare lag deposition og nanosekund laser bestråling på en Ni-alumina system og erstattet dem med fysisk dampudfældning og en varm tallerken. Resultatet af vores arbejde på en Ni-alumina system viste også et acceptabelt niveau af kontrol på morfologi af overfladen efter den dewetting15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bemærk: Store område fabrikation af kontrollerbar og kan tilpasses guld nanopartikel film er opnået ved at følge de detaljerede protokollen. Protokollen følger tre store områder, der er (1) substrat forberedelse, (2) dewetting og ætsning og (3) karakterisering.
1. underlaget forberedelse
- Ren substrat (100 nm SiO2 på Si) bruge en acetone skyl efterfulgt af en isopropylalkohol skyl og derefter tørre ved hjælp af en strøm af N2 gas.
- Indlæse underlaget i termisk fordamper system og evakuere for at nå det ønskede tryk for deposition af metal filmen. Sikre, at salen er evakueret til et pres på rækkefølgen 10-6 Torr til fjernelse af luft og vanddamp i salen.
- Ved hjælp af den termiske fordamper, deponere guld filmen på den ønskede tykkelse (5 nm i dette tilfælde). Guld kildemateriale blev fremstillet i form af 0,5 mm diameter tråd af guld (99,99% rent). Bemærk, at kontrolelementet tykkelse for alle deposition faser udføres ved kalibrering af maskinen, overvejer alle vigtige parametre og post måling af tykkelsen. På begge deposition stadier, argon pres er et par af millitorrs (1-5 mTorr), og området er givet som forskellige belastninger er valgt at kalibrere for deposition sats.
- Udluftning og fjerne substrat med deponerede metal film fra det termiske fordamper system. Protokollen kan være midlertidigt her.
- Indlæse substrat med deponerede metal film til jævnstrøm (DC) magnetron sputter deposition system og evakuere for at nå det ønskede tryk for deposition af takstlofter filmen (Tabel af materialer).
- Du kan finde prøven i maskinen, sætte prøven i belastning overførsler lås og enheden prøven vigtigste deposition herhen for at sikre en tilstrækkelig grad af vakuum. Bemærk at aflejring af alumina udjævningen lag tales sted i det næste skridt og dette trin er at forklare processen med at placere den i apparatet og hvordan prøven overføres til de vigtigste deposition kammer.
- Deponere den takstlofter lag af ønskede materiale og tykkelse. Bemærk, at depositionen af aluminiumoxid følger en lignende procedure og tilstand af guld lag deposition, variabel tykkelse alumina i dette tilfælde. Alumina kildemateriale blev fremstillet i form af en 50,8 mm diameter, 6,35 mm tyk sputter mål af aluminiumoxid (99,5% ren).
- Lufte DC magnetron sputter deposition kammer og fjerne den forbehandlede prøve. (Tabel over materialer). Protokollen kan være midlertidigt her.
2. dewetting og ætsning
- Placer den forbehandlede prøve på en forvarmet varmeplade. For 5 nm guld filmen udjævnede med aluminiumoxid, opvarmes prøven ved 300 ° C og lad prøven til dewet for 1 h. Protokollen kan være midlertidigt her.
- Etch alumina mens forlader guldet og underliggende SiO2/Si underlaget med et 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (i wt %) løsning på 80 ° C i 1 h. Bemærk at processen udføres i en hætte og alle forholdsregler for at håndtere ætsende og miljømæssige farligt materiale bør tages. Protokollen kan være midlertidigt her.
3. karakterisering
- Forberede prøve at være vakuum kompatibel ved at skylle med acetone, og isopropylalkohol efterfulgt af tørring med N2.
- Billede nanopartikel film ved hjælp af scanning elektronmikroskopi (SEM) under højt vakuum og ved høj forstørrelse (50, 000 X forstørrelse i denne sag for at løse den mindste størrelse nanopartikler). Protokollen kan være midlertidigt her.
- Udføre billedanalyse for at få oplysninger af nanopartikel størrelse og afstand distributioner. Billedanalyse er gjort ved hjælp af en MATLAB-baserede kode at tærskler gråtonebillede, udfører støjreduktion og partikel påfyldning rutiner15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Protokollen beskrevet her er blevet brugt af flere metaller og har vist evnen til at producere nanopartikler på et substrat over store-område, med kontrollerbare størrelse og afstand. Figur 1 viser protokollen med repræsentative resultater viser evne til at styre den opdigtede nanopartikel størrelse og afstand. Efter denne protokol, det resultat, som er opdigtet nanopartikel film med størrelse og afstand distributioner, vil være afhængig af valget af metal, valget af substrat, valg af udjævningen lag materiale, metal tykkelsen og det loft lagtykkelse. Ved at justere en af disse parametre, forventes et skift og forandringer i disse distributioner. Som et eksempel, de 5 nm gold film på SiO2 med en Al2O3 loft over lag af tykkelser af 0 nm, 5 nm, 10 nm, og 20 nm resultat i gennemsnitlige nanopartikel radier af 14.2 nm, 18,4 nm, 17.3 nm og 15,6 nm , henholdsvis en gennemsnitlig nanopartikel afstand af 36,9 nm, 56.9 nm, 51,3 nm og 47.2 nm, henholdsvis.
Figur 1: grafisk billede af protokollen og repræsentative resultater. Histogrammer præsenteret er sagopalmer (øverst til venstre) og radier (nederst til venstre) distribution af partiklen. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: The SEM billede af No-udjævningen lag (en) og prøver med 5 (b), 10 c og 20 nm (d) udjævningen lag. Ændringer i partikelstørrelser og distributioner er tilsyneladende sammenligne billederne. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollen er en realistisk og nem proces for en nano-produktionsproces til fremstilling af nanopartikler på et substrat over store områder med kontrollerbare egenskaber. Det dewetting fænomen, som fører til produktion af partikler, er baseret på det dewetted lag tendens til at opnå minimum overflade energi. Kontrol over størrelse og form af partikler er målrettet med aflejring af en anden overflade på de vigtigste lag til at tune de overflade energier, og den endelige ligevægt mellem vedhæftning og energi kræves for at bøje den takstlofter lag på partiklerne bestemmer forskellige dewetting regimer, som fører til forskellige overflade morfologier. Denne protokol har designet og vist baseret på udstyr og processer, der er typisk tilgængelige for alle med grundlæggende microfabrication udstyr og proces kapaciteter. I metoden demonstreret kan yderligere kontrol over det endelige nanopartikel distribution opnås ved at ændre metal filmtykkelse, cap lagtykkelse, underlag materiale og cap lag materiale. Mellem disse processen variabler, kan der opnås en lang række nanopartikel størrelse og afstand.
Tilføje yderligere trin eller erstatte teknikker, der anvendes i den nuværende protokol kan give yderligere ændring af processen resulterer i mere kontrol over nanopartikel distributioner, herunder bredere vifte af nanopartikel størrelse og afstand, indsnævring af nanopartikel distributioner, eller evnen til at producere multimodale nanopartikel film. Denne protokol blev udformet og demonstreret med fokus på tilgængelighed og lave omkostninger. Eventuelt større rækkevidde vil brugen af en hurtig termisk udgloedning system eller laser bestråling ændrer hastigheden af varme og give mere nanopartikel kontrol. Evt en multimodal nanopartikel distribution kan mellemliggende trin af litografi (elektron beam litografi eller fotolitografi) tilføjes før metal deposition eller cap lag deposition. Litografi trin vil resultere i en variabel tykkelse metal eller cap lag på tværs af overfladen og dermed en anden nanopartikel distribution.
En anden ændring, der kan gøres nemt er i det ønskede metal, afhængigt af den konkrete anvendelse af nanopartikel film. Her, demonstrationen brugt guld på grund af de plasmonic egenskaber, men ligeledes en metallisk nanopartikel eller andre plasmonic nanopartikler eller endda en core-shell nanopartikel kunne ønske. Dette opnås ved at ændre metal filmmateriale. Denne ændring vil påvirke den resulterende nanopartikel distribution på grund af forskelle i overfladen energi, men de samme tendenser ville kunne forventes. Bemærk, at tykkelsen af laget takstlofter giver kontrol over det resulterende nanopartikel størrelse og afstand. For nye materiale systemer, vil være behov for en forståelse af omfanget af kontrol.
Denne protokol blev designet til at fjerne spørgsmålet om store område substrat-baserede nanopartikel fabrikation for applikationer lige fra solenergi konvertering til high density datalagring. Disse programmer kræver et stort område af nanopartikler med veldefinerede og kontrolleret nanopartikler. De teknikker, der anvendes i forskningslaboratorier til at studere den effekt, at nanopartikler har disse programmer indgår dyrt udstyr og tid intensive processer, hvilket gør dem umuligt for industrielle applikationer. Denne protokol har vist den nødvendige kontrolniveau baseret på overkommelige og hurtige trin til behandling.
Denne protokol har potentiale til at blive en revolutionerende teknik til fremstilling af enhver nanopartikel film, der kræver substrat-baseret behandling. Denne demonstration var kun gøres med et enkelt materiale system, men mere forskning vil ske på kort sigt at udforske den fulde kapacitet af kontrol og tilpasning, der er fastsat af denne protokol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at oplyse.
Acknowledgments
Vi anerkender støtten fra mikroskopi Core facilitet ved Utah State University for SEM resultat. Vi erkender også National Science Foundation (Award #162344) til DC Magnetron Sputtering System, National Science Foundation (Award #133792) til (felt elektron og Ion) FEI Quanta 650 og Department of Energy, nuklear energi Universitet Program for 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).
