Summary
Dit protocol gegevens een nieuwe nano-productie-techniek die kan worden gebruikt om controleerbaar en aanpasbare nanoparticle films over grote gebieden op basis van de zelf-assemblage van de dewetting van verkapte metalen films.
Abstract
Recente wetenschappelijke vooruitgang in het gebruik van metalen nanoparticle voor verbeterde energie conversie-efficiëntie en verbeterde optische Apparaatprestaties high-density gegevensopslag is gebleken dat het potentiële voordeel van het gebruik ervan in industriële toepassingen. Deze toepassingen vereisen nauwkeurige controle over nanoparticle tekengrootte, spatiëring en soms vorm. Deze eisen hebben geleid tot het gebruik van tijd en kosten van intensieve verwerking stappen voor het produceren van nanodeeltjes, waardoor de overgang naar industriële toepassing onrealistisch. Dit protocol zal oplossen deze kwestie door middel van een methode van het schaalbaar en betaalbaar voor de productie van de groot-gebied van nanoparticle films met verbeterde nanoparticle controle in vergelijking met de huidige technieken. In dit artikel, het proces zal worden aangetoond met goud, maar ook andere metalen inzetbaar.
Introduction
Large-gebied nanoparticle film fabricage is cruciaal voor de aanneming van de recente technologische vooruitgang in zonne-energieconversie en opslag van high-density gegevens met het gebruik van Enterprise nanodeeltjes1,2, 3 , 4 , 5. interessant, het is de magnetische eigenschappen van enkele van deze Enterprise nanodeeltjes, die deze nanodeeltjes voorzien van de mogelijkheid om te manipuleren en de controle van licht op de nanoschaal. Deze controleerbaarheid van licht biedt de mogelijkheid om te verbeteren van lichte beklemming van het invallende licht op nanoschaal en verhogen de absorptivity van het oppervlak. Op basis van deze dezelfde eigenschappen en met de mogelijkheid om nanodeeltjes in ofwel een gemagnetiseerd en een niet-gemagnetiseerde staat, zijn wetenschappers ook een nieuw platform voor high-density digitale gegevensopslag definiëren. In elk van deze toepassingen, is het van cruciaal belang dat een groot gebied en betaalbare nanofabrication techniek is ontwikkeld die voor de controle van nanoparticle grootte, afstand en vorm zorgt.
De beschikbare technieken voor de productie van nanodeeltjes zijn meestal gebaseerd op nanoschaal lithografie, die hebben aanzienlijke schaalbaarheid en kosten kwesties. Zijn er meerdere verschillende onderzoeken die hebben geprobeerd om het probleem van de schaalbaarheid van deze technieken, maar tot nu toe, geen proces bestaat dat bepaalt de mate van controle die nodig zijn voor de fabricage van nanoparticle en kosten en tijd effectief genoeg is voor goedkeuring in industriële toepassingen6,7,8,9,10,11. Sommige recente onderzoeksinspanningen verbeterd de controleerbaarheid van de gepulste laser geïnduceerde dewetting (PLiD) en templated solid-state dewetting12,13,14, maar ze hebben nog steeds aanzienlijke vereist lithografie stappen en dus het probleem van de schaalbaarheid.
In dit manuscript presenteren wij het protocol van een nanofabrication methode die zal deze kwestie schaalbaarheid en kosten die de goedkeuring heeft geteisterd en gebruik van nanoparticle films in grootschalige industriële toepassingen. Deze verwerkingsmethode geeft u de controle over de geproduceerde nanoparticle grootte en spatiëring door het manipuleren van de oppervlakte energieën die dicteren de zelf-assemblage van de nanodeeltjes gevormd. Hier, wij laten zien dat het gebruik van deze techniek met behulp van een dunne gouden film voor de productie van gouden nanodeeltjes, maar we hebben onlangs een iets andere versie van deze methode gebruik van een nikkel-film en dus deze techniek kan worden gebruikt met elk gewenste metaal. Het doel van deze methode is het produceren van nanoparticle films terwijl het minimaliseren van de kosten en complexiteit van het proces en dus we onze eerdere aanpak, die atomische laag depositie en nanosecond laser-bestraling op een Ni-aluminiumoxide-systeem gebruikt en vervangen hebt gewijzigd hen met fysieke vapor deposition en een kookplaat. Het resultaat van ons werk op een Ni-aluminiumoxide systeem bleek ook een aanvaardbaar niveau van controle van de morfologie van de oppervlakte na de dewetting15.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Opmerking: De groot-gebied fabricage van controleerbaar en aanpasbare gouden nanoparticle films wordt bereikt door het volgen van het gedetailleerde protocol. Het protocol volgt drie hoofdgebieden die (1) substraat voorbereiding, (2) dewetting en etsen, en (3) karakterisering.
1. substraat voorbereiding
- Reinig de ondergrond (100 nm SiO2 op Si) met behulp van een aceton spoelen gevolgd door een spoeling isopropyl alcohol en vervolgens droog met een stroom van N2 gas.
- Het substraat in het thermische verdamper systeem laden en evacueren om te bereiken van de gewenste druk voor de afzetting van de metalen film. Zorg ervoor dat de kamer is geëvacueerd naar een druk op de orde van 10-6 Torr voor de verwijdering van lucht en waterdamp in de zaal.
- Met behulp van de thermische verdamper, storten de Gouden film bij de gewenste dikte (5 nm in dit geval). Het gouden uitgangsmateriaal is verkregen in de vorm van 0,5 mm diameter draad van goud (99,99% zuiver). Merk op dat de dikte besturingselement voor alle stadia van de depositie wordt uitgevoerd door de kalibratie van de machine, gezien alle belangrijke parameters en post meting van de dikte. In beide stadia van de afzetting, de argon druk is een paar millitorrs (1-5 mTorr), en het bereik is gegeven zoals verschillende druk te kalibreren voor de depositie tarief worden gekozen.
- Ventileren en het substraat met gedeponeerde metalen film verwijderen uit het systeem thermische verdamper. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- Het substraat met gedeponeerde metalen film in de gelijkstroom (DC) magnetron sputter afzetting systeem laden en evacueren om te bereiken van de gewenste druk voor afzetting van de overkoepelende film (Tabel van materialen).
- Om te zoeken van het monster in de machine, zet het monster in de belasting transfers vergrendelen en het apparaat dat het monster aan de belangrijkste afzetting kamer naar een voldoende niveau van vacuüm. Merk op dat de afzetting van de aftopping van de aluminiumoxide laag verhalen plaats in de volgende stap en deze stap is het proces van het plaatsen van het monster in het apparaat en waarop het monster is overgedragen aan de belangrijkste afzetting kamer uit te leggen.
- Stort de overkoepelende laag van het gewenste materiaal en dikte. Merk op dat de afzetting van de aluminiumoxide een soortgelijke procedure en de toestand van het goud laag depositie, variabele dikte aluminiumoxide in dit geval volgt. Het bronmateriaal aluminiumoxide werd verkregen in de vorm van een 50,8 mm diameter, 6.35 mm dikke sputter doelwit van aluminium oxide (99,5% zuiver).
- De DC magnetron sputter afzetting kamer ventileren en verwijder het voorbereide monster. (Tabel van materialen). Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
2. dewetting en etsen
- Plaats de voorbereide monster op een voorverwarmd bord hot. Voor de 5 nm Gouden film afgetopt met aluminiumoxide, het monster bij 300 ° C verhit en het monster aan dewet gedurende 1 uur. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- De aluminiumoxide etch terwijl het verlaten van het goud en onderliggende SiO2/Si substraat met een 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (in wt %) oplossing bij 80 ° C gedurende 1 h. opmerking dat het proces wordt uitgevoerd in een kap en alle voorzorgen voor de behandeling van bijtende en milieu gevaarlijke stoffen moet worden genomen. Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
3. karakterisering
- Voorbereiding van het monster als vacuüm compatibel door spoelen met aceton, en isopropylalcohol gevolgd door drogen met N2.
- Afbeeldingen van de films van de nanoparticle met behulp van scanning elektronen microscopie (SEM) onder hoog vacuüm en bij hoge vergroting (50, 000 X vergroting in dit geval op te lossen de minimale grootte nanodeeltjes). Het protocol kan hier worden gepauzeerd.
- Uitvoeren beeldanalyse om informatie van nanoparticle grootte en spatiëring distributies te verkrijgen. De beeldanalyse wordt gedaan met behulp van een code van MATLAB gebaseerde die drempels de grijswaardenafbeelding, voert storings onderdrukking en deeltje routines15te vullen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Het protocol hier beschreven is gebruikt voor meerdere metalen en het vermogen te produceren van nanodeeltjes op een substraat over groot-gebied, met regelbare grootte en spatiëring heeft aangetoond. Figuur 1 toont het protocol met representatieve resultaten tonen van de mogelijkheid om controle van de gefabriceerde nanoparticle grootte en spatiëring. Wanneer na dit protocol, het resultaat, dat de film van de gefabriceerde nanoparticle met grootte en spatiëring distributies is, zullen afhankelijk van de keuze van metaal, de keuze van de ondergrond, de keuze van de aftopping laag materiaal, de dikte van de metalen en de aftopping de laagdikte van de. Door om het even wie van deze parameters aan te passen, zou een verschuiving en de verandering in deze distributies worden verwacht. Als voorbeeld, de 5 nm Gouden film op SiO2 met een Al2O3 aftopping laag van diktes van 0 nm 5 nm, 10 nm en 20 nm leiden tot gemiddelde nanoparticle stralen van 14,2 nm, 18,4 nm, 17.3 nm en 15,6 nm , respectievelijk, de afstand van een gemiddelde nanoparticle van 36,9 nm, 56.9 nm, 51,3 nm en 47.2 nm, respectievelijk.
Figuur 1: grafische afbeelding van de resultaten van het protocol en vertegenwoordiger. De histogrammen gepresenteerd zijn de merg (links boven) en stralen (linksonder) distributie van het deeltje. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 2: het SEM-beeld van No-aftopping laag (a) en monsters met 5 (b), 10 (c) en 20 nm (d) laag aftopping. De verandering in de deeltjesgrootte en distributies zijn schijnbare vergelijking van de beelden. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het protocol is een haalbaar en gemakkelijk proces voor een nano-productie-proces voor de productie van nanodeeltjes op een substraat over grote gebieden met controleerbare kenmerken. Het fenomeen van dewetting, die tot de productie van deeltjes leidt, is gebaseerd op de neiging van de dewetted laag te bereiken minimum oppervlakte-energie. De controle over de grootte en vorm van de deeltjes is gericht met de afzetting van een tweede oppervlak op de hoofdlaag om de oppervlakte energieën af te stemmen, en het uiteindelijke evenwicht tussen de hechting en de energie nodig is om te buigen van de overkoepelende laag op de deeltjes Hiermee bepaalt u andere dewetting regimes, die tot verschillende oppervlakte morphologies leiden. Dit protocol is ontworpen en aangetoond op basis van apparatuur en processen die doorgaans toegankelijk voor iedereen met fundamentele microfabrication apparatuur en proces-mogelijkheden zijn. In de bewezen benadering, kan extra controle over de verdeling van de uiteindelijke nanoparticle worden bereikt door het veranderen van de metalen laagdikte, de laagdikte van het GLB, het basismateriaal en het GLB laag materiaal. Tussen deze procesvariabelen, kan een breed scala van nanoparticle grootte en spatiëring worden bereikt.
Extra stappen toe te voegen of vervanging van de technieken die worden gebruikt in het huidige protocol kan bieden extra wijziging van het proces dat leidt tot meer controle over de nanoparticle-distributies, met inbegrip van bredere waaier van nanoparticle grootte en afstand, vernauwing van de nanoparticle-distributies, of de mogelijkheid om de multimodale nanoparticle films produceren. Dit protocol werd ontworpen en gedemonstreerd met de nadruk op toegankelijkheid en lage kosten. Als groter bereik gewenst is, zal het gebruik van een systeem voor snelle thermische onthardende of laser-bestraling de opwarmsnelheid wijzigen en meer nanoparticle te bepalen. Indien een multimodale nanoparticle distributie is gewenst, kunnen tussenliggende stappen van lithografie (electron beam lithografie of fotolithografie) worden toegevoegd vóór metalen depositie of vóór GLB laag depositie. De litho stappen zal resulteren in een variabele dikte metaal of GLB-laag over het oppervlak en dus een verdeling van de verschillende nanoparticle.
Een andere wijziging die gemakkelijk kan worden gemaakt is in het gewenste metaal, afhankelijk van de specifieke toepassing van de nanoparticle film. Hier, de demonstratie goud gebruikt vanwege de Enterprise eigenschappen, maar ook een metalen nanoparticle of andere Enterprise nanoparticle, of zelfs een kern-shell nanoparticle kon wensen. Dit wordt bereikt door het veranderen van de metalen filmmateriaal. Deze verandering zal van invloed zijn op de daaruit voortvloeiende verdeling van de nanoparticle vanwege de verschillen in oppervlakte energieën, maar dezelfde trends zou worden verwacht. Merk op dat de dikte van de overkoepelende laag controle over de resulterende nanoparticle grootte en spatiëring biedt. Nieuwe materiële systemen, moet inzicht in de omvang van het besturingselement komen.
Dit protocol werd ontworpen om de kwestie van grote terrein substraat-gebaseerde nanoparticle fabricage voor toepassingen variërend van zonne-Energieconversie naar high-density gegevensopslag te elimineren. Deze toepassingen vereisen een grote-gebied van nanodeeltjes met goed gedefinieerde en gecontroleerde nanodeeltjes. De technieken die worden gebruikt in onderzoeklaboratoria voor het bestuderen van het effect dat nanodeeltjes in deze toepassingen betrokken zijn dure apparatuur en tijd intensieve processen, waardoor ze onhaalbaar voor industriële toepassingen. Dit protocol heeft aangetoond dat het niveau van controle nodig op basis van betaalbare en snelle verwerking van stappen.
Dit protocol heeft de potentie om een revolutionaire techniek voor de productie van geen nanoparticle films waarvoor substraat-gebaseerde verwerking. Deze demonstratie werd alleen gedaan met een uniforme regeling van de materiële, maar meer onderzoek zal worden gedaan op korte termijn om te verkennen van de volledige mogelijkheden van de controle en de aanpassingsmogelijkheden die wordt geleverd door dit protocol.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Wij erkennen de steun van de microscopie Core faciliteit in Utah State University voor het SEM-resultaat. We erkennen ook de National Science Foundation (Award #162344) voor de DC Magnetron sputteren systeem, de National Science Foundation (Award #133792) voor de (veld Electron- en Ion) FEI Quanta 650, en het Department of Energy, nucleaire energie Universiteit Programma voor de 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.
- 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).
