Kolloidal litografi kullanarak periyodik altın Nanocup dizilerin imalatı

Bu prosedürün genel amacı, kolloidal litografi adı verilen düşük maliyetli ve basit bir teknik kullanarak altın nanokup periyodik diziler üretmek ve bunları karakterize etmektir. Altın nanokuplar veya nanokabuklar; doğrusal olmayan optik, metamalzemeler ve kimyasal algılama gibi alanlarda uygulama alanı bulan benzersiz optik özelliklere sahiptir. Bu videoda, yüksek derecede monodispers polistiren nanokürelerin kendi kendine düzenlenmesine dayanan düşük maliyetli bir teknik kullanarak esnek, şeffaf nano plazmonik dizi filmlerinin nasıl üretileceğini öğreneceksiniz.

Bu yaklaşım, EUV litografisi gibi seri işlemlere kıyasla ölçeklenebilirlik avantajına sahiptir. Periyodik altın nanokup veya nanokabuk dizilerinden oluşan bu filmler; kimyasal algılama, kurcalama göstergesi ve fotovoltaikler gibi çeşitli uygulama alanlarına sahiptir. Ayrıca, istenilen uygulamaya bağlı olarak bu filmlerin plazmon rezonansını görünür bölgeden yakın kızılötesine ayarlamak oldukça kolaydır.

Bu video, kurbanlık silikon altlık üzerinde altın nanokup dizilerinin hazırlanmasını, ortaya çıkan yapıların optik karakterizasyonunu ve filmlerin şeffaf bir yapıştırıcı filme aktarılmasını açıklayacaktır. İlk olarak, plazma temizleme için birkaç silikon golectingi kuvars bir taşıyıcıya yerleştirin. Bu işlem, polimerik nanokürelerin kendi kendine düzenlenmesi için temel teşkil eden temiz, hidrofilik bir yüzey sağlar.

Ardından, kuvars taşıyıcıyı plazma sistemine yerleştirin ve vakumu başlatın. Sistem, 30 SCCM oksijen akış hızıyla, 250 watt gücünde 15 dakikalık bir oksijen plazma temizliği için yapılandırılmıştır. Silikon gofretler plazma ile temizlenirken, polistiren nanoküre çözeltisini buzdolabından çıkarın ve oda sıcaklığına gelmelerini bekleyin.

Homojen bir çözelti elde etmeye yardımcı olmak için çözeltiyi bir dakika boyunca kısaca vorteksle karıştırın. Ardından çözeltiye bir dakika boyunca sonikasyon uygulayın. Spin kaplama sırasında bir monotabaka elde etmek için, genellikle stok %10 ağırlıkça nanoküre çözeltisinin seyreltilmesi gerekir.

Bunu yapmak için, nanoküre çözeltisini ağırlıkça yüzde beş katı olacak şekilde seyreltmek amacıyla temiz, yüksek saflıkta su kullanırız. Temiz silikon wafer'ları plazma sisteminden çıkarın ve toz veya organik kalıntı gibi herhangi bir kontaminasyon açısından kontrol edin. Eğer wafer uygunsa, onu spin coater'ın merkezine yerleştirin ve vakumu başlatın.

Ardından, spin coater cihazını uygun hıza, ivmeye ve dönme süresine ayarlayın. Bu değerler, kullanılan polistiren nanokürelerin boyutuna ve konsantrasyonuna bağlı olarak değişiklik gösterecektir. Bu uygulamada, tek katman kaplama elde etmek için spin coater cihazını 3, 000 rpm hıza, saniyede 2, 000 rpm ivmeye ve bir dakikalık süreye ayarlayın.

Seyreltilmiş bir nanoküre çözeltisi alarak, plastik bir şırınga yardımıyla yaklaşık bir mililitre nanoküre çözeltisi çekin. Ardından şırınganın ucuna beş mikronluk bir filtre takın. Bu işlem, kendi kendine düzenlenen filmin kalitesini olumsuz etkileyecek olan aglomeraların temizlenmesine yardımcı olacaktır.

Şırıngayı spin coater'ın üzerinde tutun ve nanoküre çözeltisinden bir damla salınana kadar pistonu aşağı itin. Ardından, akıcı bir hareketle, gofretin yaklaşık 2/3'ü kaplanana kadar merkezine yeterli miktarda çözelti damlatın. Kapağı kapatın ve döndürme döngüsünü başlatın.

Santrifüj döngüsü tamamlanana kadar bekleyin, ardından vakumu serbest bırakın, kapağı açın ve wafer'ı çıkarın. Spin coater'ın iç kısmını, fazla nanoküre çözeltisinin tamamen temizlendiğinden emin olarak silin. Devam etmeden önce, spin cast ile oluşturulan filmin kalitesini değerlendirmek esastır.

İlk olarak; hava kabarcıkları, toz veya aglomeratlar nedeniyle oluşan herhangi bir kusur olup olmadığını gözle kontrol edebiliriz. Ardından, filmin kalitesini daha detaylı değerlendirmek için optik mikroskopi kullanabiliriz. Işık kaynağını açıp numuneyi objektifin altına yerleştirdikten sonra; çok tabakalı yapı oluşumu, kusurlar veya delikler dahil olmak üzere filmin kalitesini net bir şekilde değerlendirebiliriz.

Bu görüntülerde, yüksek kaliteli bir film, çok katmanlı bir film ve delikler içeren bir film görüyoruz. Film kalitesini değerlendirmek için kullanılan son teknik, taramalı elektron mikroskobisi kullanmaktır. Bu yöntem, filmi nano ölçekte görselleştirmemize olanak tanır.

Filmin kalitesini değerlendirdikten sonra, nanoküreleri substrata tavlamamız gerekir. Substratı yaklaşık iki dakika boyunca 107 °C sıcaklıktaki bir fırına yerleştirin. Substratı fırından çıkarın ve kısa bir süre oda sıcaklığında soğumasını bekleyin.

Ardından, tavlanmış altlığı aşındırma işlemi için plazma sistemine aktarın. Plazma sistemini 75 watt, 20 SCCM oksijen ve 175 saniye aşındırma süresine ayarlayın. Oksijen akışını başlatın.

Basınç stabilize olana kadar bekleyin ve RF plazmayı başlatın. Gösterildiği gibi, oksijen plazması polistiren nanoküreleri izotropik olarak aşındırarak eşit aralıklı kürelerden oluşan periyodik bir dizi oluşturur. Aşındırmadan sonra, püskürtme kaplama (sputter coating) kullanarak 29 nm kalınlığında bir altın orta tabakası çöktürün.

Biriktirme açısı değiştirilerek anizotropik yapılar oluşturulabilir. Bu örnekler için altın, substrata dik olarak biriktirilmiştir. Sol tarafta, spin kaplama yöntemiyle hazırlanmış polistiren nanokürelerden oluşan iki inçlik bir wafer gösterilmiştir.

Sağda altın kaplama sonrası bir gofret görülmektedir. Silikon alt tabaka üzerindeki altın nanokup dizisinin optik özelliklerini ölçmek için bir mikro spektrofotometre kullanılır. Plazmon rezonans piki yaklaşık 650 nanometrede gerçekleşir.

Bu protokolün son adımı, altın nanokup dizisini esnek ve konformal bir filme aktarmaktır. Bu hızlı ve basit kaldırma işlemini gerçekleştirmek için şeffaf, basınca duyarlı yapışkan bant kullanıyoruz. Bir şerit bant alarak, bunu dikkatlice altın kaplı substrat ile temas ettirin.

Gofret yüzeyi ile bant arasında oluşmuş olabilecek hava kabarcıklarını nazikçe gidermeniz gerekebilir. Bant substrat ile iyi bir temas sağladıktan sonra, bandı yavaşça soyun. Bant tamamen kaldırıldığında, sonuç olarak periyodik olarak düzenlenmiş nanokuplardan oluşan esnek ve konformal bir film elde edilir.

Bu yöntem kullanılarak, polistiren nanokürelerin metal nanokup biriktirme işlemi için kendi kendine düzenlenen bir şablon maske görevi gördüğü kolloidal litografi, plazma aşındırma ve metalizasyon yöntemleriyle nano plazmonik filmler üretilmiştir. Üretim sürecinin sonuçları, taramalı elektron mikroskobu kullanılarak doğrulanmıştır. Burada, kendi kendine düzenlenen polistiren nanoküre tek tabakasının, aşındırılmış nanokürelerin ve metal biriktirme sonrası nanokupların mikrograflarını görüyoruz.

Bu filmlerin optik özellikleri arasında, belirgin şekilde tanımlanabilen bir plazmon rezonansını korurken, görünür spektrumda yaklaşık %70'e kadar iyi ışık geçirgenliği yer almaktadır. Kolloidal litografi, nano plazmonik filmler üretmek için hızlı ve potansiyel olarak düşük maliyetli bir tekniktir. Bu teknik yalnızca yaygın olarak bulunan ekipmanlar gerektirir ve nano plazmonik filmler sadece birkaç saat içinde hazırlanabilir.

Burada, görünür spektrumda plazmonik yanıta sahip, altın nanokup yan dizilerinden oluşan filmler üretmek için bu tekniğin nasıl kullanılacağını gösterdik. Bu tekniğe hakim olduğunuzda, hem görünür hem de yakın kızılötesi bölgelerde optik yanıtlara sahip çok çeşitli nano plazmonik filmler fabrikasyon edebileceksiniz.