Herstellung von periodischen Gold Nanocup Arrays mit kolloidalen Lithographie
Summary
Wir zeigen die Herstellung von periodischen gold Nanocup Arrays mit kolloidalen lithographischen Techniken und sprechen über die Bedeutung von Nanoplasmonic Filmen.
Abstract
In den letzten Jahren hat Feld Plasmonik explodiert, wie Forscher interessante Anwendungen, die im Zusammenhang mit chemischen und optischen Sensorik in Kombination mit neuen Nanofabrikation Techniken gezeigt haben. Ein Plasmon ist ein Quantum Ladungsdichte Schwingung, die nanoskaligen Metallen wie gold und Silber einzigartigen optischen Eigenschaften verleiht. Insbesondere weisen gold und Silber-Nanopartikel lokalisierte Oberflächen Plasmon Resonanzen-Kollektiv Ladungsdichte Schwingungen auf der Oberfläche der Nanopartikel-in des sichtbaren Spektrums. Hier konzentrieren wir uns auf die Herstellung von periodischen Anordnungen von anisotropen plasmonische Nanostrukturen. Diese Halbschale (oder Nanocup) Strukturen können zeigen zusätzliche einzigartige Licht-Biegung und Polarisation-abhängigen optischen Eigenschaften dieser einfachen isotropen Nanostrukturen können nicht. Forscher interessieren sich für die Herstellung von periodischen Anordnungen von Nanocups für eine Vielzahl von Anwendungen wie zum Beispiel kostengünstige optische Geräte, Oberfläche-enhanced Raman Streuung und Angabe zu manipulieren. Wir präsentieren Ihnen eine skalierbare Technik basierend auf kolloidale Lithographie, es lässt sich leicht große regelmäßige Anordnungen von Nanocups mit Spin-Coating fabrizieren und selbst montiert im Handel erhältliche Polymere Nanokugeln. Elektronen-Mikroskopie und optische Spektroskopie vom sichtbaren zum Nah-Infrarot (in der Nähe von IR) wurde durchgeführt, um erfolgreiche Nanocup Fertigung zu bestätigen. Wir schließen mit ein Beweis für die Übertragung von Nanocups auf eine flexible, winkeltreue Klebefolie.
Introduction
Die Entstehung von Plasmonik in Verbindung mit verbesserten Nanofabrikation und Synthesetechniken bewirkten eine Vielzahl von interessanten Technologien wie z. B. Sub Beugung begrenzt Schaltungs, verbesserte chemische Detektion und optische Fernerkundung1 ,2,3. In diesem Protokoll zeigen wir eine skalierbare und relativ kostengünstige Technik zur Herstellung Nanopatterned plasmonische Substrate mit handelsüblichen Polymeren Nanokugeln und eine Radierung Schritt gefolgt von Metallabscheidung. Im Gegensatz zu anderen Techniken zur Herstellung von Nanopatterned Substraten, wie Elektron Lichtstrahl Lithographie4, diese Technik kann schnell und effizient auf skaliert werden 300 mm-Wafer und mit minimalem Aufwand und verwendet eine Übertragung überschreiten um flexibel produzieren und winkeltreue Filme5.
Seit der Römerzeit wissen wir, dass bestimmte Metalle wie Gold und Silber glänzende optische Eigenschaften haben können, wenn sie fein verteilt sind. Heute verstehen wir, dass diese Metallpartikel einen Effekt namens zeigen “lokalisiert Oberflächenplasmonenresonanz” (LSPR) Wenn ihre Abmessungen den nanoskaligen nähern. LSPR ist analog zu einer stehenden Welle in die schwach gebundene Elektronen im Metall gefunden kohärent schwingen, wenn Licht bestimmter Frequenzen die Metallpartikel erleuchtet. Anisotrope Nanostrukturen sind von besonderem Interesse, weil als Folge der Symmetrie brechen6,7,8einzigartige optische Resonanzen entstehen können.
Die Beleuchtung der Halbschale (Nanocup) Strukturen mit Licht kann begeistern, elektrischer Dipol oder magnetischen Dipol-Plasmon-Modi, abhängig von Faktoren wie der Ablagerung Winkel des Metalls, die Ausrichtung des Substrates in Bezug auf das einfallende Licht und den Polarisation des einfallenden Licht9. Nanocups sind oft analog zu dreidimensionalen Spaltring Resonatoren, in denen die Resonanzfrequenz kann angenähert wie ein LC-Oszillator10,11betrachtet worden. Die Resonanzfrequenz für die Größe des Polymeren Nanokugeln hier verwendet (170 nm), die Höhe der hinterlegten Gold (20 nm), und die Etch Preise Ausbeute Resonanzfrequenzen überspannt das sichtbare und in der Nähe von IR.
Die optischen Eigenschaften von gold Nanocups können entweder im Getriebe oder Reflexion, je nach Substrat verwendet für Spin-Coating gemessen werden. Im vorliegenden Protokoll haben wir 2 Zoll Silizium-Wafer als Substrat verwenden und Reflexion Messungen nach der Metallabscheidung. Die Messungen wurden mit einem Mikroskop gekoppelt an ein dispersives Spektrometer mit einer Halogen-Lichtquelle. Wir hatten auch Erfolg bei der Verwendung von Glassubstraten, zulassend Transmission und Reflexion Messungen unmittelbar nach der Metallabscheidung. Darüber hinaus ist diese Technik kann leicht skaliert werden und beschränkt sich nicht auf 2 Zoll-Wafer. Aufgrund der breite kommerzielle Verfügbarkeit von qualitativ hochwertigen monodispersen Polymeren Nanokugeln ist es einfach, die optischen Eigenschaften dieser Strukturen zu optimieren, indem Sie einfach mit unterschiedlich großen Nanokugeln.
In diesem Protokoll, eine Technik, um anisotropen Halbschale (oder Nanocup) Gold herzustellen, die Nanostrukturen mit einer Methode namens kolloidales Lithographie nachgewiesen werden. Kolloidales Lithographie benutzt Selbstmontage von hoch monodispersen Polymeren Nanosphere, um schnell ein Substrat Muster, die in ein plasmonische Substrat nach Sputter-Beschichtung eine dünne Schicht aus Gold weiterverarbeitet werden können. Ebenso ist es möglich, die Anisotropie des Substrats durch Kippen der Probe Substrat während Metallabscheidung zu stimmen. Die daraus resultierenden Strukturen sind Polarisation empfindlich wegen der Anisotropie der gebildeten Nanostruktur. Hier zeigen wir einen besonderen Fall und führen optische Charakterisierung und Lift-off, die Strukturen zu einem transparenten, flexiblen Film zu übertragen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieses Protokoll zeigt eine kostengünstige und effiziente Technik für die Herstellung von periodischen Anordnungen von plasmonische gold Nanocups. Diese Technik ist besonders vorteilhaft, weil es serielle Top-Down-Prozesse wie Elektronenstrahllithographie oder fokussierten Ionenstrahl vermeidet Fräsen. Die vorgestellte Technik zeigt, dass im Handel erhältliche Polymere Nanokugeln auf einfache Weise dienen als Vorlage für die Weiterverarbeitung Nanogrösse selbst zusammengebaut werden können.
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The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Forschung erfolgte am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), die von Battelle Memorial Institute für Department of Energy (DOE) unter Vertrag Nr. betrieben wird DE-AC05-76RL01830. Die Autoren erkennen dankbar Unterstützung durch das US Department of State durch den Schlüssel Überprüfung Assets Fund (V) unter interinstitutionelle Vereinbarung 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 |
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