En metod att tillverka Frånkopplad Silver nanostrukturer i 3D
Summary
Femtosecond-laser direkt skriva används ofta för att skapa tredimensionella (3D) mönster i polymerer och glas. Dock fortfarande mönstring metaller i 3D en utmaning. Vi beskriver ett förfarande för att tillverka silver nanostrukturer inbäddade inuti en polymer matris med en femtosecond laser centrerad vid 800 nm.
Abstract
Standarden nanofabrikation Toolkit innehåller tekniker främst syftar till att skapa 2D mönster i dielektriska media. Skapa metall mönster på en submikron skala kräver en kombination av nanofabrikation verktyg och flera material processteg. Till exempel steg för att skapa plana metallkonstruktioner med ultraviolett fotolitografi och elektron-stråle litografi kan innefatta prov exponering, prov utveckling, metalldeponering och metall liftoff. Att skapa 3D metallkonstruktioner, sekvensen upprepas flera gånger. Komplexiteten och svårigheten att stapla och anpassa flera lager begränsar praktiska tillämpningar av 3D metall strukturering med vanliga nanofabrikation verktyg. Femtosecond-laser direkt skrivande har blivit en framträdande metod för 3D nanofabrikation. 1,2 femtosecond laser ofta används för att skapa 3D-mönster i polymerer och glas. 3-7 dock 3D metall direkt skriva är fortfarande en utmaning. Här, vibeskriver en metod för att tillverka silver nanostrukturer inbäddade i en polymermatris med en femtosecond laser centrerad vid 800 nm. Metoden möjliggör tillverkning av mönster inte genomförbar med användning av andra tekniker, såsom 3D uppsättningar av frånkopplade silver voxlar. 8 Frånkopplad 3D metall mönster är användbara för metamaterial där enhetsceller inte är i kontakt med varandra, 9 såsom kopplad metall prick 10, 11 eller kopplade metallstav 12,13 resonatorer. Potentiella tillämpningar är negativa index metamaterial, slängkappor osynlighet och perfekt linser.
I femtosecond-laser direkt skrivning är laservåglängden väljs så att fotoner inte är linjärt absorberas i målmedium. När lasern pulsvaraktigheten komprimeras till femtosecond tidsskalan och strålningen är tätt fokuseras inuti målet, inducerar den extremt hög intensitet olinjär absorption. Flera fotoner absorberas samtidigtly orsaka elektroniska övergångar som leder till väsentlig ändring i fokus regionen. Med användning av detta tillvägagångssätt kan man bilda strukturer i huvuddelen av ett material snarare än på dess yta.
De flesta arbetar på 3D direkt metall skrivande har fokuserat på att skapa självbärande metallkonstruktioner. 14-16 Metoden som beskrivs här ger sub-mikrometer silver strukturer som inte behöver vara självbärande, eftersom de är inbäddade i en matris. En dopad polymer matris framställs med användning av en blandning av silver-nitrat (AgNOs 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) och vatten (H 2 O). Prover mönstras sedan genom bestrålning med en 11-MHz-femtosecond laser producerar 50-fs pulser. Under bestrålningen är fotoreduktion av silverjoner inducerade genom icke-linjär absorption, skapar ett aggregat av silvernanopartiklar i fokus regionen. Med hjälp av denna metod skapar vi silver mönster inbäddade i en dopad PVP matris. Lägga 3D översättning av sriklig utvidgar mönstring till tre dimensioner.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nyckeln till förfarandet är att erhålla en dopad dielektrisk matris som tillåter hög upplösning tillverkning, men försämrar inte snart efter beredning. En enkel blandning av PVP, AgNO 3 och H 2 O möjliggör skapandet av högupplösta silver nanostrukturer som är inbäddade i en stödmatris. Variation PVP till AgNOs 3 förhållandet kommer att ändra laserenergi som behövs för tillverkning, och potentiellt andra egenskaper såsom funktion upplösning. Ett lågt förhållande l…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner Paul JL Webster för 3D-rendering av optiska data med Amira. Phil Muñoz och Benjamin Franta som feedback på manuset under hela dess utveckling. Den forskning som beskrivs i detta dokument stöddes av flygvapnet Office vetenskaplig forskning enligt anslag FA9550-09-1-0546 och FA9550-10-1-0402.
References
- von Freymann, G., et al. Three-Dimensional Nanostructures for Photonics. Advanced Functional Materials. 20, 1038-1052 (2010).
- LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A. Multiphoton Fabrication. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6238-6258 (2007).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).
- Li, L., Gattass, R. R., Gershgoren, E., Hwang, H., Fourkas, J. T. Achieving λ/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization. Science. 324, 910-913 (2009).
- Haske, W., et al. 65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography. Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).
- Xing, J. F., et al. Improving spatial resolution of two-photon microfabrication by using photoinitiator with high initiating efficiency. Appl. Phys. Lett. 90, 131106 (2007).
- Tan, D., et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. Appl. Phys. Lett. 90, 071106 (2007).
- Vora, K., Kang, S., Shukla, S., Mazur, E. Fabrication of disconnected three-dimensional silver nanostructures in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett. 100, 063120 (2012).
- Güney, D. &. #. 2. 1. 4. ;., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial. Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).
- Grigorenko, A. N., et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies. Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).
- Grigorenko, A. N. Negative refractive index in artificial metamaterials. Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).
- Shalaev, V. M., et al. Negative index of refraction in optical metamaterials. Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies. Appl. Phys. Lett. 91, 113118 (2007).
- Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S. Two-photon-induced reduction of metal ions for fabricating three-dimensional electrically conductive metallic microstructure. Appl. Phys. Lett. 88, 081107 (2006).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Improvement in the reduction of silver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye. Appl. Phys. Lett. 89, 113102 (2006).
- Cao, Y. -. Y., Takeyasu, N., Tanaka, T., Duan, X. -. M., Kawata, S. 3D Metallic Nanostructure Fabrication by Surfactant-Assisted Multiphoton-Induced Reduction. Small. 5, 1144-1148 (2009).
