Summary
Este protocolo detalha uma nova técnica de fabricação de nano que pode ser usada para fazer filmes de nanopartículas controlável e personalizável em grandes áreas, com base na auto-montagem de dewetting dos filmes de metal tampados.
Abstract
Recentes descobertas científicas na utilização de nanopartículas metálicas para armazenamento de dados de alta densidade, dispositivo óptico melhorado desempenho e eficiência de conversão de energia aprimorado demonstraram o benefício potencial de seu uso em industrial aplicações. Estas aplicações requerem um controle preciso sobre nanopartículas tamanho, espaçamento e às vezes de forma. Esses requisitos têm resultou no uso de tempo e custo de etapas de processamento intensivo para produzir nanopartículas, tornando a transição para a aplicação industrial irrealista. Este protocolo irá resolver esse problema, fornecendo um método escalonável e acessível para a produção de grande área de nanopartículas filmes com nanopartículas melhorado controle em comparação com as técnicas atuais. Neste artigo, o processo será demonstrado com ouro, mas outros metais também podem ser usados.
Introduction
Fabricação de filme de grande-área de nanopartículas é criticamente importante para a adopção dos recentes avanços tecnológicos no armazenamento de dados de alta densidade e conversão de energia solar com o uso de nanopartículas plasmônico1,2, 3 , 4 , 5. Curiosamente, é as propriedades magnéticas de algumas dessas nanopartículas plasmônico, que fornecem essas nanopartículas com a capacidade de manipular e controlar a luz à escala nanométrica. Este controlabilidade de luz fornece a possibilidade de aprimorar armadilha luminosa da luz incidente em nanoescala e aumentar a absorvência da superfície. Com base nestas mesmas propriedades e ter a capacidade de ter nanopartículas em qualquer um magnetizado e um estado não-magnetizados, cientistas também estão definindo uma nova plataforma de armazenamento de dados digitais de alta densidade. Em cada uma dessas aplicações, é fundamental que uma grande área e nanofabricação acessível é desenvolvida técnica que permite o controle de tamanho de nanopartículas, espaçamento e forma.
As técnicas disponíveis para a produção de nanopartículas baseiam-se principalmente a litografia de nanoescala, que têm escalabilidade significativa e questões de custos. Tem havido vários estudos diferentes que têm tentado resolver o problema de escalabilidade destas técnicas, mas até à data, nenhum processo existe que fornece o nível de controle necessário para a fabricação de nanopartículas e é eficaz o suficiente para o tempo e custo adoção em aplicações industriais,6,7,8,9,10,11. Algumas recentes esforços de pesquisa melhoraram a controlabilidade de laser pulsado induzido dewetting (PLiD) e modelo Solid-State dewetting12,13,14, mas ainda têm significativos necessários etapas de litografia e, portanto, o problema de escalabilidade.
Este manuscrito, apresentamos o protocolo de um método de nanofabricação que irá abordar este problema de escalabilidade e custo que tem atormentado a adopção e utilização de nanopartículas filmes em aplicações industriais generalizadas. Este método de processamento permite o controle sobre as nanopartículas produzidas tamanho e espaçamento, manipulando as energias de superfície que ditam a auto-montagem das nanopartículas formadas. Aqui, vamos mostrar o uso desta técnica, utilizando uma fina camada de ouro para a produção de nanopartículas de ouro, mas recentemente publicamos uma versão ligeiramente diferente desse método usando um filme de níquel e, portanto, esta técnica pode ser usada com qualquer metal desejado. O objetivo desse método é produzir filmes de nanopartículas, minimizando o custo e a complexidade do processo e, portanto, modificamos a nossa abordagem anterior, que um sistema Ni-alumina usados deposição de camada atômica e a irradiação do laser de nanossegundos e substituído -los com deposição de vapor físico e um prato quente. O resultado do nosso trabalho em um sistema de Ni-alumina também mostrou um nível aceitável de controle sobre a morfologia da superfície após a dewetting15.
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Protocol
Nota: A fabricação de grande área de nanopartículas de ouro controlável e personalizável filmes é conseguida seguindo o protocolo detalhado. O protocolo segue três áreas principais que são o preparo do substrato (1), (2) dewetting e gravura e (3) a caracterização.
1. os preparadores
- Limpe o substrato (100 nm SiO2 em Si) usando um enxaguatório acetona seguido de um enxágue com álcool isopropílico e seque usando um fluxo de N2 gás.
- Carregar o substrato para o sistema de evaporação térmica e evacuar para atingir a pressão desejada para a deposição do metal filme. Certifique-se de que a câmara é evacuada a uma pressão da ordem de 10-6 Torr para a remoção de ar e vapor de água na câmara.
- Usando o evaporador térmico, depositar o filme ouro na espessura desejada (5 nm neste caso). O material de fonte de ouro foi obtido sob a forma de fio de diâmetro de 0,5 mm de ouro (99,99% de pureza). Observe que o controle de espessura por todas as etapas de deposição é executado pela calibração da máquina, considerando todos os parâmetros importantes e postar a medição da espessura. Em ambas as fases de deposição, a pressão de argônio é um par de millitorrs (1-5 mTorr), e a escala é dada como diferentes pressões são escolhidas para calibrar para a taxa de deposição.
- Desabafar e remover o substrato com película do metal depositado do sistema térmica do evaporador. O protocolo pode ser pausado aqui.
- Carregar o substrato com película do metal depositado no sistema de deposição por pulverização catódica de corrente direta (DC) magnétron e evacuar para atingir a pressão desejada para deposição do filme tampando (Tabela de materiais).
- Para localizar a amostra na máquina, colocar a amostra na carga de bloqueio e o dispositivo transfere a amostra para a câmara de deposição principal para garantir um nível suficiente de vácuo. Observe que a deposição de alumina tampar camada contos lugar na próxima etapa e este passo é explicando o processo de colocação da amostra no aparelho e como a amostra é transferida para a câmara principal de deposição.
- Deposite a camada de nivelamento do material desejado e espessura. Note-se que a deposição da alumina segue um procedimento semelhante e a condição da deposição de camada de ouro, alumina de espessura variável neste caso. O material de origem da alumina foi obtido sob a forma de um 50,8 mm de diâmetro, alvo de 6,35 mm espessura por pulverização catódica de óxido de alumínio (99,5% de pureza).
- Câmara de deposição por pulverização catódica de DC magnetrão de ventilação e remover a amostra preparada. (Tabela de materiais). O protocolo pode ser pausado aqui.
2. dewetting e gravura
- Coloque a amostra preparada em um prato quente pré-aquecido. Para o filme de nm ouro 5 tampado com alumina, aquecer a amostra a 300 ° C e permitir que a amostra de dewet por 1h. O protocolo pode ser pausado aqui.
- Etch a alumina enquanto deixando o ouro e subjacentes SiO2/Si substrato com um 3:1:1 = H2O:NH4OH:H2O2 (em % em peso) solução a 80 ° C, durante 1 h. nota que o processo é realizado em uma capa e todas as precauções necessárias para lidar com materiais perigosos corrosivos e ambientais deve ser tomada. O protocolo pode ser pausado aqui.
3. caracterização
- Prepare a amostra para ser compatível com vácuo por uma lavagem com acetona e álcool isopropílico, seguido de secagem com N2.
- Os filmes de nanopartículas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) de imagem sob alto vácuo e alta ampliação (50, 000 X ampliação neste caso para resolver as nanopartículas tamanhos mínimas). O protocolo pode ser pausado aqui.
- Realizar análise de imagem para obter informações de tamanho de nanopartículas e distribuições de espaçamento. A análise da imagem é feita usando um código baseado em MATLAB que limiares a imagem em tons de cinza, executa partícula rotinas15de enchimento e redução de ruído.
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Representative Results
O protocolo descrito aqui tem sido utilizado para vários metais e tem demonstrado a capacidade de produzir nanopartículas sobre um substrato ao longo da grande-área, com tamanho controlável e espaçamento. A Figura 1 mostra o protocolo com resultados representativos, mostrando a capacidade de controlar as nanopartículas fabricados tamanho e espaçamento. Quando este protocolo, o resultado, que é o filme de nanopartículas fabricado com tamanho e espaçamento distribuições, a seguir será dependente a escolha do metal, a escolha do substrato, a escolha de tampar a camada de material, a espessura do metal e tampar espessura da camada. Ajustando-se qualquer um desses parâmetros, seria esperados um turno e mudança destas distribuições. Como exemplo, o filme de nm ouro 5 em SiO2 com um Al2O3 tampando a camada de espessuras de 0 nm, 5 nm, 10 nm e 20 nm resultado em raios de nanopartículas média de 14,2 nm, 18,4 nm, 17,3 nm e 15,6 nm , respectivamente, um espaçamento médio de nanopartículas de 36,9 nm, 56,9 nm, 51,3 nm e 47.2 nm, respectivamente.
Figura 1: imagem gráfica dos resultados protocolo e representante. Os histogramas apresentados são o miolo (superior esquerdo) e a distribuição de raios (inferior esquerdo) da partícula. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: SEM a imagem da camada não-tampando (a) e amostras com 5 (b), 10 (c) e 20 nm (d) camada de nivelamento. A mudança no tamanho das partículas e distribuições são aparentes, comparando as imagens. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
O protocolo é um processo fácil e viável para um processo de fabricação de nano para a produção de nanopartículas sobre um substrato em grandes áreas com características controláveis. O fenômeno dewetting, que leva à produção de partículas, baseia-se a tendência da camada de dewetted para alcançar a energia de superfície mínima. O controle sobre o tamanho e forma das partículas é direcionado com a deposição de uma segunda superfície na camada principal para sintonizar as energias de superfície, e o equilíbrio final entre a adesão e a energia necessária para dobrar a camada de nivelamento das partículas determina diferentes regimes dewetting, que levam a diferentes morfologias de superfície. Este protocolo foi projetado e demonstrado com base em equipamentos e processos que são normalmente acessíveis a qualquer pessoa com equipamento básico microfabrication e capacidades do processo. Na abordagem demonstrada, controle adicional sobre a distribuição final de nanopartículas é possível alterando a espessura da película do metal, espessura da camada de cap, o material do substrato e o material da camada cap. Entre essas variáveis de processo, é possível uma vasta gama de nanopartículas tamanho e espaçamento.
Adicionando etapas adicionais ou substituição de técnicas usadas no protocolo atual pode fornecer modificação adicional do processo, resultando em mais controle sobre as distribuições de nanopartículas, incluindo uma gama maior de nanopartículas tamanho e espaçamento, estreitando as distribuições de nanopartículas, ou a capacidade de produzir filmes de nanopartículas multimodal. Este protocolo foi projetado e demonstrada com ênfase na acessibilidade e baixo custo. Se desejar maior alcance, o uso de um sistema de recozimento térmico rápido ou a irradiação do laser irá alterar a taxa de aquecimento e fornecer mais controle de nanopartículas. Se desejar uma distribuição multimodal de nanopartículas, etapas intermediárias da litografia (litografia de feixe de elétrons ou fotolitos) podem ser adicionadas antes da deposição de metais ou deposição de camada de cap. Execução da litografia resultará em uma camada de metal ou tampa de espessura variável, em toda a superfície e, portanto, uma distribuição diferente de nanopartículas.
Outra modificação que pode ser feita facilmente é o metal desejado, dependendo da aplicação específica do filme nanopartículas. Aqui, a demonstração usado ouro por causa das propriedades plasmônico, mas da mesma forma, uma nanopartículas metálicas ou outras nanopartículas plasmônico ou até mesmo uma núcleo-casca nanopartículas podem ser desejada. Isto é conseguido alterando o material da película do metal. Essa alteração afetará a distribuição de nanopartículas resultante devido às diferenças nas energias de superfície, mas as mesmas tendências seria esperadas. Note-se que a espessura da camada de nivelamento fornece controle sobre a resultante de nanopartículas tamanho e espaçamento. Para sistemas de material novos, será necessária uma compreensão da extensão do controle.
Este protocolo foi projetado para eliminar o problema da fabricação de nanopartículas baseado em substrato de grande área para aplicações que variam de conversão de energia solar para armazenamento de dados de alta densidade. Esses aplicativos requerem uma grande área de nanopartículas com nanopartículas bem definidas e controladas. As técnicas que são utilizadas em laboratórios de pesquisa para estudar o impacto que as nanopartículas nestas aplicações envolveram equipamento caro e processos intensivos de tempo, tornando-os inviáveis para aplicações industriais. Este protocolo tem demonstrado que o nível de controle necessário com base em preços acessíveis e rápidos de etapas de processamento.
Este protocolo tem o potencial de ser uma técnica revolucionária para a produção de algum filme de nanopartículas que exigem processamento baseado em substrato. Esta demonstração foi feita apenas com um único sistema material, mas mais pesquisa será feita a curto prazo para explorar os recursos do controle e personalização que é fornecida pelo presente protocolo.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Reconhecemos o apoio da instalação de núcleo de microscopia na Utah State University para o resultado de SEM. Também reconhecemos a National Science Foundation (prêmio #162344) para o sistema de Sputtering do magnétron de DC, a National Science Foundation (prêmio #133792) para a (campo de elétrons e íons) FEI Quanta 650 e o departamento de energia, Universidade de Energia Nuclear Programa para o 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
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