Summary
इस प्रोटोकॉल के एक उपंयास नैनो विनिर्माण तकनीक का विवरण है कि बड़े क्षेत्रों में छाया हुआ धातु फिल्मों के विक्लेदन के आत्म विधानसभा पर आधारित नियंत्रणीय और अनुकूलन नैनोपैर्टिकल फिल्मों बनाने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
Abstract
संवर्धित ऊर्जा रूपांतरण दक्षता के लिए धातु नैनोलेख के उपयोग में हाल ही में वैज्ञानिक अग्रिमों, बेहतर ऑप्टिकल डिवाइस प्रदर्शन, और उच्च घनत्व डेटा भंडारण औद्योगिक में उनके उपयोग के संभावित लाभ का प्रदर्शन किया है अनुप्रयोगों. इन अनुप्रयोगों नैनोलेख आकार, रिक्ति पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है, और कभी कभार आकार । इन आवश्यकताओं के समय और लागत गहन प्रसंस्करण के कदम के उपयोग के लिए नैनोकणों का उत्पादन में हुई है, इस प्रकार औद्योगिक अनुप्रयोग के लिए संक्रमण अवास्तविक बना । इस प्रोटोकॉल में सुधार नैनोलेख फिल्मों के बड़े क्षेत्र के उत्पादन के लिए एक स्केल्बल और सस्ती विधि प्रदान करके इस मुद्दे को हल करेंगे वर्तमान तकनीकों की तुलना में बेहतर नैनोपैर्टिकल नियंत्रण । इस लेख में, इस प्रक्रिया को सोने के साथ प्रदर्शित किया जाएगा, लेकिन अन्य धातुओं का भी उपयोग किया जा सकता है ।
Introduction
बड़े क्षेत्र नैनोलेख फिल्म निर्माण सौर ऊर्जा रूपांतरण में हाल ही में तकनीकी प्रगति की गोद लेने और plasmonic नैनोकणों1,2के उपयोग के साथ उच्च घनत्व डेटा भंडारण के लिए गंभीर रूप से महत्वपूर्ण है, 3 , 4 , 5. दिलचस्प है, यह इन plasmonic नैनोकणों में से कुछ के चुंबकीय गुण है, जो में हेरफेर करने के लिए और नैनोकणों पर प्रकाश नियंत्रण की क्षमता के साथ इन नैनोकणों प्रदान करते हैं । प्रकाश की यह नियंत्रणशीलता नैनोस्केल पर घटना प्रकाश के प्रकाश फंसाने को बढ़ाने और सतह के अवशोषण में वृद्धि करने की संभावना प्रदान करता है । इन समान गुणों के आधार पर और या तो एक चुंबकीय और एक गैर चुंबकीय राज्य में नैनोकणों की क्षमता होने, वैज्ञानिकों को भी उच्च घनत्व डिजिटल डेटा भंडारण के लिए एक नया मंच को परिभाषित कर रहे हैं । इन आवेदनों में से प्रत्येक में, यह महत्वपूर्ण है कि एक बड़े क्षेत्र और सस्ती nanofabrication तकनीक विकसित की है कि नैनोपैर्टिकल आकार, रिक्ति, और आकार के नियंत्रण के लिए अनुमति देता है ।
नैनोकणों का उत्पादन करने के लिए उपलब्ध तकनीकों ज्यादातर नैनोस्केल लिथोग्राफी पर आधारित हैं, जो महत्वपूर्ण मापनीयता और लागत मुद्दों है. वहां कई अलग अध्ययन है कि इन तकनीकों के मापनीयता समस्या का पता करने का प्रयास किया है, लेकिन आज तक, कोई प्रक्रिया मौजूद है कि नियंत्रण के स्तर नैनोपैर्टिकल निर्माण के लिए आवश्यक प्रदान करता है और लागत और समय के लिए पर्याप्त प्रभावी है औद्योगिक अनुप्रयोगों में दत्तक ग्रहण6,7,8,9,10,11. हाल के कुछ शोध प्रयासों स्पंदित लेजर से प्रेरित विक्लेदन (plid) और टेम्पलेट ठोस राज्य विक्लेदन12,13,14, लेकिन वे अभी भी महत्वपूर्ण है की controllability सुधार लिथोग्राफी कदम और इस प्रकार मापनीयता समस्या ।
इस पांडुलिपि में, हम एक nanofabrication विधि है कि इस मापनीयता और लागत मुद्दा है कि गोद लेने और व्यापक औद्योगिक अनुप्रयोगों में नैनोपैर्टिकल फिल्मों के उपयोग से ग्रस्त है संबोधित करेंगे के प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं । इस प्रसंस्करण विधि का निर्माण किया नैनोलेख आकार पर नियंत्रण की अनुमति देता है और सतह ऊर्जा जो स्वयं को निर्देशित नैनोकणों का गठन से छेड़छाड़ करके रिक्ति । यहां, हम इस तकनीक का उपयोग एक पतली सोने की फिल्म का उपयोग करने के लिए सोने के नैनोकणों का उत्पादन प्रदर्शन, लेकिन हम हाल ही में इस विधि का एक थोड़ा अलग संस्करण एक निकल फिल्म का उपयोग कर प्रकाशित किया है और इस तरह इस तकनीक को किसी भी वांछित धातु के साथ इस्तेमाल किया जा सकता है । इस विधि के लक्ष्य के लिए नैनोपैर्टिकल फिल्मों का उत्पादन है, जबकि लागत और प्रक्रिया की जटिलता को कम करने और इस प्रकार हम अपने पिछले दृष्टिकोण है, जो परमाणु परत बयान और एक Ni-एल्युमिना प्रणाली पर नैनोपैर्टिकल लेजर विकिरण का इस्तेमाल संशोधित किया है और जगह उन्हें शारीरिक वाष्प जमाव और एक गर्म थाली के साथ । एक नी एल्यूमिना प्रणाली पर हमारे काम का परिणाम भी15विक्लेदन के बाद सतह के आकारिकी पर नियंत्रण का एक स्वीकार्य स्तर दिखाया ।
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Protocol
नोट: विस्तृत प्रोटोकॉल का पालन करके चलाया और अनुकूलन सोने नैनोलेख फिल्मों के बड़े क्षेत्र निर्माण हासिल की है । प्रोटोकॉल तीन प्रमुख क्षेत्रों है कि कर रहे है (1) सब्सट्रेट तैयारी, (2) विक्लेदन और नक़्क़ाशी, और (3) लक्षण वर्णन ।
1. सब्सट्रेट तैयारी
- एक एसीटोन कुल्ला का उपयोग कर एक isopropyl शराब कुल्ला द्वारा पीछा किया और फिर सूखी एन2 गैस की एक धारा का उपयोग कर (Si पर १०० एनएम sio2 ) साफ.
- थर्मल वाष्पक प्रणाली में सब्सट्रेट लोड और धातु फिल्म के जमाव के लिए वांछित दबाव तक पहुँचने के लिए खाली । सुनिश्चित करें कि चैंबर में हवा और पानी वाष्प को हटाने के लिए 10-6 torr के आदेश पर एक दबाव के लिए खाली है ।
- थर्मल वाष्पक का उपयोग करना, वांछित मोटाई पर सोने की फिल्म जमा (इस मामले में 5 एनएम) । सोने के स्रोत सामग्री सोने के ०.५ मिमी व्यास तार (९९.९९% शुद्ध) के रूप में प्राप्त किया गया था । ध्यान दें कि सभी जमाव चरणों के लिए मोटाई नियंत्रण मशीन के अंशांकन द्वारा किया जाता है, सभी महत्वपूर्ण मापदंडों और मोटाई के पोस्ट माप पर विचार. दोनों बयान चरणों में, आर्गन दबाव millitorrs (1-5 mtorr) की एक जोड़ी है, और सीमा के रूप में अलग दबाव बयान दर के लिए जांचना चुना जाता है दिया जाता है ।
- वेंट और थर्मल वाष्पक प्रणाली से जमा धातु फिल्म के साथ सब्सट्रेट निकालें । प्रोटोकॉल यहां ठहर सकता है ।
- प्रत्यक्ष वर्तमान में जमा धातु फिल्म के साथ सब्सट्रेट लोड (डीसी) मैग्नेट्रॉन धूम टारगे साठा प्रणाली और कैपिंग फिल्म (सामग्री की तालिका) के बयान के लिए वांछित दबाव तक पहुँचने के लिए खाली.
- नमूना मशीन में ढूँढने के लिए, नमूना लोड लॉक में रखें और डिवाइस वैक्यूम का पर्याप्त स्तर सुनिश्चित करने के लिए मुख्य साठा कक्ष के लिए नमूना स्थानांतरित करता है । ध्यान दें कि अगले चरण में एल्युमिना कैपिंग लेयर टेल्स प्लेस का जमाव और यह कदम उपकरण में नमूने को रखने की प्रक्रिया को समझा रहा है और नमूना मुख्य जमाव कक्ष में कैसे स्थानांतरित किया जाता है ।
- वांछित सामग्री और मोटाई की कैपिंग परत जमा करें । ध्यान दें कि एल्यूमिना का जमाव इसी प्रकार की प्रक्रिया और सोने की परत के जमाव की स्थिति, इस मामले में चर मोटाई एल्यूमिना का अनुसरण करता है । एल्युमिना स्रोत सामग्री एक ५०.८ मिमी व्यास के रूप में प्राप्त किया गया था, ६.३५ मिमी एल्यूमीनियम ऑक्साइड का मोटा धूम टारगे लक्ष्य (९९.५% शुद्ध).
- भड़ास ने डीसी मैग्नेट्रॉन को सपुटर साठा चैंबर में रखा और तैयार सैंपल को हटा लिया । (सामग्री तालिका) । प्रोटोकॉल यहां ठहर सकता है ।
2. डिगीला और नक़्क़ाशी
- तैयार नमूना को एक पूर्व गर्म प्लेट पर रखें । 5 एनएम सोने की फिल्म के लिए एल्यूमिना के साथ छाया हुआ है, ३०० डिग्री सेल्सियस पर नमूना गर्मी और 1 ज के लिए डेवेट करने के लिए नमूना अनुमति देते हैं । प्रोटोकॉल यहां ठहर सकता है ।
- एक 3:1: 1 = एच 2 o:nh4ओह के साथ सोने और अंतर्निहित sio2/si सब्सट्रेटछोड़ने जबकि एल्यूमिना खोदना, एच2 ओ2 (wt% में) 1 ज के लिए ८० डिग्री सेल्सियस पर समाधान ध्यान दें कि प्रक्रिया एक हुड में किया जाता है और संक्षारक और पर्यावरणीय खतरनाक सामग्री से निपटने के लिए सभी सावधानियाँ बरती जानी चाहिए । प्रोटोकॉल यहां ठहर सकता है ।
3. लक्षण वर्णन
- एन2के साथ सुखाने के बाद एसीटोन और आइसोप्रोपाइल अल्कोहल के साथ rinsing द्वारा वैक्यूम संगत करने के लिए नमूना तैयार करें ।
- छवि नैनोपैर्टिकल उच्च वैक्यूम के तहत इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) स्कैनिंग का उपयोग कर फिल्मों और उच्च इज़ाफ़ा (50, 000x इस मामले में इज़ाफ़ा करने के लिए ंयूनतम आकार नैनोकणों को हल) । प्रोटोकॉल यहां ठहर सकता है ।
- नैनोलेख आकार और रिक्ति वितरण की जानकारी प्राप्त करने के लिए छवि विश्लेषण निष्पादित करें । छवि विश्लेषण एक matlab आधारित कोड है कि ग्रेस्केल छवि थ्रेसहोल्ड का उपयोग किया जाता है, शोर में कमी और कण भरने दिनचर्या15करता है ।
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Representative Results
प्रोटोकॉल यहाँ वर्णित कई धातुओं के लिए इस्तेमाल किया गया है और बड़े क्षेत्र पर एक सब्सट्रेट पर नैनोकणों का उत्पादन करने की क्षमता दिखाया गया है, नियंत्रणीय आकार और रिक्ति के साथ. चित्रा 1 प्रतिनिधि के साथ प्रोटोकॉल से पता चलता है गढ़े नैनोपैर्टिकल आकार और रिक्ति को नियंत्रित करने की क्षमता दिखा परिणाम । जब इस प्रोटोकॉल का पालन, परिणाम, जो आकार और रिक्ति वितरण के साथ गढ़े नैनोलेख फिल्म है, धातु की पसंद पर निर्भर हो जाएगा, सब्सट्रेट के विकल्प, परत सामग्री कैपिंग की पसंद, धातु मोटाई, और कैपिंग परत मोटाई । इन मापदंडों में से किसी एक को समायोजित करके, एक बदलाव और इन वितरण में परिवर्तन की उम्मीद की जाएगी । एक उदाहरण के रूप में, 5 एक अल2ओ 0 एनएम, 5 एनएम, 10 एनएम की मोटाई की परत कैपिंग के साथ sio2 पर एनएम गोल्ड फिल्म, और 20 एनएम परिणाम १४.२ एनएम, १८.४ एनएम, १७.३ एनएम, और १५.६ एनएम के औसत नैनोपैर्टिकल रेडियो में , क्रमशः ३६.९ एनएम, ५६.९ एनएम, ५१.३ एनएम, और ४७.२ एनएम, की एक औसत नैनोलेख रिक्ति क्रमशः ।
चित्रा 1: प्रोटोकॉल और प्रतिनिधि परिणामों की ग्राफिकल छवि. प्रस्तुत हिस्टोग्राम मज्जा (ऊपर बाएँ) और त्रिज्या (नीचे बाएँ) कण का वितरण कर रहे हैं. कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।
चित्रा 2: नहीं-कैपिंग परत (ए) और 5 (बी), 10 (सी) और 20 एनएम (डी) कैपिंग परत के साथ नमूनों की SEM छवि । कण आकार और वितरण में परिवर्तन छवियों की तुलना स्पष्ट कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए ।
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Discussion
प्रोटोकॉल नियंत्रणीय विशेषताओं के साथ बड़े क्षेत्रों पर एक सब्सट्रेट पर नैनोकणों के उत्पादन के लिए एक व्यवहार्य और आसान प्रक्रिया के लिए एक नैनो विनिर्माण प्रक्रिया है । विक्लेदन घटना है, जो कणों के उत्पादन की ओर जाता है, कम सतह ऊर्जा प्राप्त करने के लिए विक्लेदन परत की प्रवृत्ति पर आधारित है । आकार और कणों के आकार पर नियंत्रण सतह ऊर्जा की धुन के लिए मुख्य परत पर एक दूसरी सतह के जमाव के साथ लक्षित है, और आसंजन और कणों पर कैपिंग परत को मोड़ करने के लिए आवश्यक ऊर्जा के बीच अंतिम संतुलन अलग सतह morphologies के लिए नेतृत्व जो विभिन्न विक्लेदन शासनों, निर्धारित करता है. इस प्रोटोकॉल डिजाइन और उपकरणों और प्रक्रियाओं है कि आम तौर पर बुनियादी microfabrication उपकरण और प्रक्रिया क्षमताओं के साथ किसी के लिए सुलभ है के आधार पर प्रदर्शन किया गया है । प्रदर्शन दृष्टिकोण में, अंतिम नैनोलेख वितरण पर अतिरिक्त नियंत्रण धातु फिल्म मोटाई, टोपी परत मोटाई, सब्सट्रेट सामग्री, और टोपी परत सामग्री को बदलने के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है । इन प्रक्रिया चर के बीच, नैनोपैर्टिकल आकार और रिक्ति की एक विस्तृत श्रृंखला प्राप्त किया जा सकता है ।
अतिरिक्त कदम जोड़ने या वर्तमान प्रोटोकॉल में प्रयुक्त तकनीकों प्रतिस्थापन नैनोपैर्टिकल आकार और रिक्ति की व्यापक रेंज सहित नैनोलेख वितरण पर अधिक नियंत्रण में जिसके परिणामस्वरूप प्रक्रिया के अतिरिक्त संशोधन प्रदान कर सकते हैं, संकुचन के नैनोपैर्टिकल वितरण, या मल्टीमॉडल नैनोलेख फिल्मों का उत्पादन करने की क्षमता । इस प्रोटोकॉल डिजाइन और पहुंच और कम लागत पर जोर देने के साथ प्रदर्शन किया गया था । यदि अधिक रेंज वांछित है, एक तेजी से थर्मल अनीलिंग प्रणाली या लेजर विकिरण का उपयोग हीटिंग दर बदल जाएगा और अधिक नैनोपैर्टिकल नियंत्रण प्रदान करते हैं । यदि एक मल्टीमोडल नैनोलेख वितरण वांछित है, तो लिथोग्राफी (इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी या फोटोटोलीग्राफी) के मध्यवर्ती कदम धातु जमाव से पहले या कैप परत जमाव से पहले जोड़ा जा सकता है । लिथोग्राफी चरण (नों) एक चर मोटाई धातु या सतह भर में टोपी परत और इस प्रकार एक अलग नैनोपैर्टिकल वितरण में परिणाम होगा ।
एक और संशोधन है कि आसानी से बनाया जा सकता है वांछित धातु में है, नैनोपैर्टिकल फिल्म के विशिष्ट आवेदन पर निर्भर करता है । यहां, प्रदर्शन क्योंकि plasmonic गुणों के सोने का इस्तेमाल किया है, लेकिन इसी तरह, एक धातु नैनोपैर्टिकल या अंय plasmonic नैनोपैर्टिकल, या यहां तक कि एक कोर-शैल नैनोपैर्टिकल वांछित हो सकता है । यह धातु फिल्म सामग्री बदलकर हासिल की है । इस परिवर्तन की वजह से सतह ऊर्जा में मतभेद के परिणामस्वरूप नैनोलेख वितरण को प्रभावित करेगा, लेकिन एक ही प्रवृत्तियों की उंमीद की जाएगी । ध्यान दें कि कैपिंग परत की मोटाई परिणामी नैनोलेख आकार और रिक्ति पर नियंत्रण प्रदान करती है । नई सामग्री प्रणालियों के लिए, नियंत्रण की सीमा की एक समझ की जरूरत होगी ।
इस प्रोटोकॉल के लिए बड़े क्षेत्र सब्सट्रेट के मुद्दे को खत्म करने के लिए डिजाइन किया गया था सौर ऊर्जा रूपांतरण से उच्च घनत्व डेटा भंडारण को लेकर आवेदन के लिए नैनोलेख निर्माण आधारित । इन आवेदनों को अच्छी तरह से परिभाषित और नियंत्रित नैनोकणों के साथ नैनोकणों के एक बड़े क्षेत्र की आवश्यकता होती है । तकनीक है कि अनुसंधान प्रयोगशालाओं में उपयोग किया जाता है प्रभाव है कि नैनोकणों इन अनुप्रयोगों में शामिल महंगे उपकरण और समय गहन प्रक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए, उन्हें औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए अव्यवहार्य बना. यह प्रोटोकॉल किफायती और तेजी से प्रसंस्करण चरणों के आधार पर आवश्यक नियंत्रण के स्तर का प्रदर्शन किया है ।
इस प्रोटोकॉल की क्षमता के लिए किसी भी नैनोपैर्टिकल फिल्मों के उत्पादन के लिए एक क्रांतिकारी तकनीक है कि सब्सट्रेट आधारित प्रसंस्करण की आवश्यकता है । यह प्रदर्शन केवल एक ही सामग्री प्रणाली के साथ किया गया था, लेकिन इस प्रोटोकॉल द्वारा प्रदान किए गए नियंत्रण और अनुकूलन की पूर्ण क्षमताओं का पता लगाने के लिए अल्पावधि में अधिक शोध किया जाएगा ।
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Disclosures
लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।
Acknowledgments
हम SEM परिणाम के लिए यूटा राज्य विश्वविद्यालय में माइक्रोस्कोपी कोर सुविधा से समर्थन स्वीकार करते हैं । हम भी राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (पुरस्कार #162344) डीसी मैग्नेट्रॉन sputtering प्रणाली के लिए स्वीकार करते हैं, राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (पुरस्कार #133792) के लिए (क्षेत्र इलेक्ट्रॉन और आयन) फी क्वांटा ६५०, और ऊर्जा विभाग, परमाणु ऊर्जा विश्वविद्यालय कार्यक्रम फी नोवा nanolab ६०० के लिए ।
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
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