Fabrikation af periodiske guld Nanocup Arrays ved brug af kolloid litografi

Summary

Vi demonstrere fabrikation af periodiske guld nanocup arrays ved brug af kolloid Litografisk teknikker og diskutere betydningen af nanoplasmonic film.

Abstract

Inden for de seneste år eksploderet feltet plasmonics som forskere har påvist spændende programmer relateret til kemiske og optiske sensing i kombination med nye nanofabrication teknikker. En plasmon er en quantum af massefylde svingning, der låner nanoskala metaller som guld og sølv enestående optiske egenskaber. Især udstiller guld og sølv nanopartikler lokaliseret overflade plasmon resonanser-kollektive massefylde svingninger på overfladen af nanopartikler-i det synlige spektrum. Her fokuserer vi på fabrikation af periodiske arrays af anisotrope plasmonic nanostrukturer. Disse halv-shell (eller nanocup) strukturer kan udstille yderligere unikke lys-bøjning og polarisering-afhængige optiske egenskaber at simpel isotropic nanostrukturer ikke. Forskerne er interesseret i fabrikation af periodiske arrays af nanocups for en bred vifte af applikationer såsom lavprisselskaber optiske enheder, overflade-forstærket Raman spredning, og manipulere indikation. Vi præsenterer en skalerbar teknik baseret på kolloid litografi, hvor det er muligt at nemt fabrikere store periodiske arrays af nanocups ved hjælp af spin-coating og selv samlet kommercielt tilgængelige polymere nanospheres. Elektronmikroskopi og optisk spektroskopi fra den synlige for nær-infrarød (nær-IR) blev udført for at bekræfte vellykket nanocup fabrikation. Vi vil slutte med en demonstration af overførsel af nanocups til en fleksibel, conformal selvklæbende film.

Introduction

Fremkomsten af plasmonics sammenholdt med forbedret nanofabrication og syntese teknikker har medført en lang række spændende teknologier såsom sub diffraktion begrænset circuity, forbedret registrering af kemiske og optiske sensing^{1 ,2,3}. I denne protokol vise vi en skalerbar og relativt billig teknik i stand til at opdigte nanopatterned plasmonic substrater ved hjælp af kommercielt tilgængelige polymere nanospheres og en Radering skridt efterfulgt af metal deposition. I modsætning til andre teknikker for at fabrikere nanopatterned substrater, såsom elektron beam litografi⁴, denne teknik kan hurtigt og effektivt skaleres til 300 mm vafler og ud med minimal indsats og bruger en overførsel trin til at producere fleksible og Conformal film⁵.

Siden den romerske æra, har vi vidst, at visse metaller som guld og sølv kan have strålende optiske egenskaber, når de er findelte. I dag, vi forstår, at disse metal partikler udviser en effekt kaldet “lokaliseret overflade plasmon resonans” (LSPR) når deres dimensioner nærmer nanoskala. LSPR er analog med en stående bølge, hvor svagt bundne elektroner fundet i metal svinger sammenhængende når lyser af bestemte frekvenser af metal partikler. Anisotropisk nanostrukturer er af særlig interesse, fordi enestående optiske resonanser kan opstå som følge af symmetri breaking^6,7,8.

Belysningen af halv-shell (nanocup) strukturer med lys kan ophidse elektriske dipol eller magnetisk dipol plasmon tilstande, afhængigt af faktorer som deposition vinkel af metal, orientering af substrat for det indfaldende lys, og den polarisering af den indfaldende lys⁹. Nanocups har ofte været betragtet som svarer til tre-dimensionelle split-ring resonatorer, hvori resonansfrekvens kan tilnærmes som en LC-oscillator^10,11. Resonansfrekvens for størrelsen af polymere nanospheres bruges her (170 nm), mængden af deponerede guld (20 nm), og etch priser giver resonans frekvenser der spænder over de synlige og nær-IR.

Af den guld nanocups optiske egenskaber kan måles enten i transmission eller refleksion, afhængig af underlaget bruges til spin-coating. I præsenteret protokollen valgte vi at bruge 2 in. silicium wafers som substratet og udfører Reflektionsgraden målinger efter metal deposition. Målingerne blev udført ved hjælp af et mikroskop, koblet til en udbredt spektrometer med en halogen lyskilde. Vi har også haft succes med at bruge glas substrater, giver mulighed for både transmission og refleksion målinger umiddelbart efter metal deposition. Desuden, denne teknik kan let skaleres og er ikke begrænset til 2 in. halvlederwafers. Bredt kommercielt tilgængeligheden af høj kvalitet monodisperse polymere nanospheres er det ligetil at tune de optiske egenskaber af disse strukturer ved blot at starte med forskellige størrelser nanospheres.

I denne protokol, en teknik til at fabrikere anisotrope halv-shell (eller nanocup) guld nanostrukturer ved hjælp af en metode kaldet kolloid litografi er påvist. Kolloid litografi bruger samlesæt af stærkt monodisperse polymere nanosphere til hurtigt mønster et substrat, der kan forarbejdes yderligere til en plasmonic substrat efter sputter belægning et tyndt lag guld. Det er ligeledes muligt at tune anisotropy af underlaget ved at vippe prøve bærematerialet under metal deposition. De resulterende strukturer er polarisering-følsomme på grund af anisotropy af den dannede nanostrukturer. Her, vi viser en bestemt sag og udføre optisk karakterisering og lift-off at overføre strukturerne til en gennemsigtig og fleksibel film.

Protocol

1. materiale forberedelse placere flere 2 in. silicium wafers i kvarts transportør for rengøring og indlæse silicium wafers i plasma ætsning system. Pumpe den vakuumkammer ned, indtil den når mindst 75 mTorr. Dette kan tage et par minutter. Begynder strømmen af O 2 (30 sccm) gas og tillade presset for at stabilisere. Indstille etch til 15 min. Når kammeret pres har stabiliseret indlede radiofrekvens (RF) 13.56 MHz 250 W plasma. Bemærk: Dette trin renser silicium wafers af al…

Representative Results

Guld nanocups blev tilberedt med 170 nm diameter polystyren nanospheres. Efter glødning for 2 min på 107 ° C og ætsning med en 75 W, 20 sccm O2 plasma for 165 s, den deraf følgende film var karakteriseret ved hjælp af SEM (figur 1). For at vurdere kvaliteten af spin-støbt filmen, Optisk mikroskopi-i tillæg til visuel inspektion-kan være brugt (figur 2). Høj kvalitet film bør være stort set fri for defekter….

Discussion

Denne protokol viser en billig og effektiv teknik for at fabrikere periodiske arrays af plasmonic guld nanocups. Denne teknik er særlig fordelagtig, fordi man derved undgår serie top-down processer som elektron beam litografi eller fokuseret ion stråle fræsning. Den præsenterede teknik viser, at kommercielt tilgængelige polymere nanospheres selv kan samles på en enkel måde at tjene som en nano-størrelse skabelon til videreforarbejdning.

Ændringer og fejlfinding:

…

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