Fabricage van periodieke gouden Nanocup Arrays gebruikmakend van de colloïdale lithografie
Summary
We tonen de fabricage van periodieke gouden nanocup arrays gebruikmakend van de colloïdale lithografische technieken en bespreken het belang van nanoplasmonic films.
Abstract
In de afgelopen jaren, is het gebied van plasmonics zoals onderzoekers hebben aangetoond interessante toepassingen aan chemische en optische sensing in combinatie met nieuwe nanofabrication technieken gerelateerde geëxplodeerd. Een plasmon is een quantum van ladingsdichtheid trilling die nanoschaal metalen zoals goud en zilver unieke optische eigenschappen leent. In het bijzonder vertonen goud en zilver-nanodeeltjes gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonanties-collectief ladingsdichtheid oscillaties op het oppervlak van de nanoparticle-in het zichtbare spectrum. Hier, richten we ons op de fabricage van periodieke arrays van anisotrope Enterprise nanostructuren. Deze half-shell (of nanocup) structuren kunnen vertonen extra unieke licht-buigen en polarisatie-afhankelijke optische eigenschappen die eenvoudige isotrope nanostructuren kan niet. Onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in de fabricage van periodieke arrays van nanocups voor een breed scala aan toepassingen, zoals goedkope optische apparaten, oppervlakte-enhanced Raman verstrooiing en knoeien indicatie. We presenteren een schaalbare techniek gebaseerd op colloïdale lithografie waarin het is mogelijk om gemakkelijk het fabriceren van grote periodieke arrays van nanocups met behulp van draai-coating en zelf gemonteerd verkrijgbare polymere nanospheres. Elektronen microscopie en optische spectroscopie van de zichtbaar voor nabij-infrarood (in de buurt van-IR) werd uitgevoerd om te bevestigen van succesvolle nanocup fabricage. We sluiten met een demonstratie van de overdracht van nanocups naar een flexibele, hoekgetrouwe kleeffilm.
Introduction
De opkomst van plasmonics in combinatie met verbeterde Nanofabricage en synthese technieken hebben geleid tot een breed scala aan spannende technologieën zoals sub diffractie beperkt circuity, verbeterde chemische detectie en optische sensor1 ,2,3. In dit protocol tonen we een schaalbare en relatief goedkope techniek staat voor het fabriceren van nanopatterned Enterprise substraten met behulp van commercieel verkrijgbare polymere nanospheres en een etsen-stap gevolgd door metalen afzetting. In tegenstelling tot andere technieken voor het fabriceren van nanopatterned substraten, zoals electron beam lithography4, deze techniek kan snel en efficiënt worden geschaald naar 300 mm wafels en buiten met minimale inspanning en gebruik een overdracht stap voor de productie van flexibele en hoekgetrouwe films5.
Sinds het Romeinse tijdperk weten we dat bepaalde metalen zoals goud en zilver briljante optische eigenschappen hebben kunnen, wanneer zij zijn fijn verdeeld. Vandaag, we begrijpen dat deze metaaldeeltjes een effect genaamd de vertonen “gelokaliseerd oppervlakte plasmon resonantie” (LSPR) wanneer hun afmetingen de nanoschaal benadert. LSPR is analoog aan een staande golf waarin zwak gebonden elektronen gevonden in het metaal coherente oscilleren wanneer licht van bepaalde frequenties de metaaldeeltjes verlicht. Anisotropische nanostructuren zijn van bijzonder belang omdat unieke optische resonanties kunnen ontstaan als gevolg van symmetriebreking6,7,8.
De verlichting van de structuren van de half-shell (nanocup) met licht kan prikkelen elektrische dipool of magnetische dipool plasmon modi, afhankelijk van factoren zoals de hoek van de afzetting van het metaal, de oriëntatie van het substraat met betrekking tot het invallende licht, en de polarisatie van de invallende licht9. Nanocups hebben vaak zijn beschouwd als analoog aan driedimensionale split-ring resonatoren, waarin de resonantiefrequentie kan worden benaderd als een LC-oscillator10,11. De resonantiefrequentie voor de grootte van polymere nanospheres hier gebruikt (170 nm), de hoeveelheid gestort goud (20 nm), en de etsen-tarieven rendement resonantie frequenties verspreid over het zichtbare en nabij-IR.
De optische eigenschappen van de gouden nanocups kunnen worden gemeten hetzij in transmissie of reflectie, afhankelijk van het substraat gebruikt voor spin-coating. In het voorgestelde protocol, die wij hebben gekozen voor 2 inch silicium wafers gebruiken als het substraat en het uitvoeren van metingen van de reflectiecoëfficiënt na metalen afzetting. De metingen werden uitgevoerd met behulp van een Microscoop gekoppeld aan een dispersief spectrometer met halogeen lichtbron. Wij hebben ook succes met het gebruik van glazen substraten, waardoor zowel de transmissie en de reflectie metingen onmiddellijk na de metalen afzetting. Bovendien is deze techniek kan gemakkelijk worden aangepast en is niet beperkt tot 2 inch wafeltjes. Vanwege de brede commerciële beschikbaarheid van kwalitatief hoogwaardige monodispers polymere nanospheres is het eenvoudig afstemmen van de optische eigenschappen van deze structuren door gewoon beginnen met verschillend formaat nanospheres.
In dit protocol, een techniek om het fabriceren van anisotrope half-shell (of nanocup) goud nanostructuren met behulp van een methode genaamd colloïdale litho is aangetoond. Colloïdale lithografie gebruikt zelf-assemblage van zeer monodispers polymere nanosphere snel patroon een substraat dat kan verder worden verwerkt tot een Enterprise substraat na sputter coating van een dun laagje goud. Ook is het mogelijk om te stemmen de anisotropie van het substraat door het kantelen van het monster substraat tijdens metalen afzetting. De resulterende structuren zijn polarisatie-gevoelige vanwege de anisotropie van de gevormde nanostructuur. Hier tonen we een specifieke zaak en uitvoeren van optische karakterisering en astronauten de structuren overbrengen naar een transparante, flexibele film.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol toont een goedkope en efficiënte techniek voor het fabriceren van periodieke arrays van Enterprise gold nanocups. Deze techniek is bijzonder voordelige omdat het vermijdt seriële topdown processen zoals electron beam lithografie of gerichte ion beam frezen. De gepresenteerde techniek toont dat verkrijgbare polymere nanospheres zelf kan worden gemonteerd op een eenvoudige manier om te dienen als een nano-sized sjabloon voor verdere verwerking.
Wijzigingen en probleemoplos…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit onderzoek werd uitgevoerd op de Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die wordt beheerd door Battelle Memorial Instituut voor het Department of Energy (DOE) onder Contract nr. DE-AC05-76RL01830. De auteurs erkennen dankbaar steun van de U.S. Department of State via de sleutel verificatie activa Fonds (V) onder Interagency overeenkomst SIAA15AVCVPO10.
Materials
| Polystyrene microspheres | Bangs Laboratories, Inc. | PS02N | 170 nm – 580 nm diameter |
| Silicon wafers | El-CAT, Inc. | 3489 | 300 mm thick, one side polished [100] |
| Adhesive tape | 3M | Scotch 600 | |
| Spin coater | Laurell | WS-650-23B | |
| Plasma etcher | Nordson March | AP-600 | |
| Microspectrophotometer | CRAIC | 380-PV | |
| Sonicator | VWR | 97043-932 | |
| Scintillation vials | Wheaton | 986734 | |
| 5 um syringe filter | Millex | SLSV025LS | |
| Oxygen gas | Oxarc | PO249 | Industrial Grade 99.5% purity |
| Vaccum pump | Kurt J. Lesker | Edwards 28 | |
| Disposable syringes | Air Tite Products Co. | 14-817-25 | 1 mL capacity |
| Water | Sigma-Aldrich | W4502 |
References
- Fang, Y., Sun, M. Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits. Light Sci Appl. 4, e294 (2015).
- Li, J. F., Anema, J. R., Wandlowski, T., Tian, Z. Q. Dielectric shell isolated and graphene shell isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopies and their applications. Chemical Society Reviews. 44 (23), 8399-8409 (2015).
- Wang, L., et al. Large Area Plasmonic Color Palettes with Expanded Gamut Using Colloidal Self-Assembly. ACS Photonics. , (2016).
- Taylor, A. B., Michaux, P., Mohsin, A. S. M., Chon, J. W. M. Electron-beam lithography of plasmonic nanorod arrays for multilayered optical storage. Optics Express. 22 (11), 13234-13243 (2014).
- Endo, H., Mochizuki, Y., Tamura, M., Kawai, T. Fabrication and Functionalization of Periodically Aligned Metallic Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography with a Sinusoidally Wrinkled Substrate. Langmuir. 29 (48), 15058-15064 (2013).
- Wang, H., et al. Symmetry breaking in individual plasmonic nanoparticles. Proceedings of the National Academy of Sciences. 103 (29), 10856-10860 (2006).
- Wollet, L., et al. Plasmon hybridization in stacked metallic nanocups. Optical Materials Express. 2 (10), 1384-1390 (2012).
- Duempelmann, L., Casari, D., Luu-Dinh, A., Gallinet, B., Novotny, L. Color Rendering Plasmonic Aluminum Substrates with Angular Symmetry Breaking. ACS Nano. 9 (12), 12383-12391 (2015).
- King, N. S., et al. Angle- and Spectral-Dependent Light Scattering from Plasmonic Nanocups. ACS Nano. 5 (9), 7254-7262 (2011).
- Mirin, N. A., Halas, N. J. Light-Bending Nanoparticles. Nano Letters. 9 (3), 1255-1259 (2009).
- Eggleston, M. S., Messer, K., Zhang, L., Yablonovitch, E., Wu, M. C. Optical antenna enhanced spontaneous emission. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (6), 1704-1709 (2015).
- Bora, M., et al. Plasmonic black metals in resonant nanocavities. Applied Physics Letters. 102 (25), 251105 (2013).
- Akselrod, G. M., et al. Efficient Nanosecond Photoluminescence from Infrared PbS Quantum Dots Coupled to Plasmonic Nanoantennas. ACS Photonics. , (2016).
