Summary
Bu protokole göre geniş alanlar üzerinde kontrol edilebilir ve özelleştirilebilir nanopartikül filmler yapmak için kullanılan yeni bir nano-imalat tekniği detayları kaplama metal filmleri dewetting, kendinden montajlı.
Abstract
Gelişmiş enerji dönüşüm verimliliği, geliştirilmiş optik cihaz performansı ve yüksek yoğunluklu veri depolama için metalik nanopartikül kullanımı son bilimsel gelişmeler sağlayacağı endüstriyel kullanım göstermiştir uygulamaları. Bu uygulamalar nanopartikül boyut, Aralık ve bazen şekil üzerinde kesin denetim gerektirir. Bu gereksinimleri zaman kullanımıyla sonuçlanan ve böylece endüstriyel uygulama geçiş gerçekçi hale nano tanecikleri, üretmek için yoğun işlem adımları maliyet. Bu iletişim kuralı nanopartikül filmleri büyük alan üretimi için ölçeklenebilen ve uygun maliyetli bir yöntem geliştirilmiş nanopartikül denetimle sağlayarak bu sorunu güncel teknikler karşılaştırıldığında çözümler. Bu makalede, süreci ile altın gösterilecektir, ama diğer metaller de kullanılabilir.
Introduction
Büyük alanlı nanopartikül film imalat kritik Plazmonik nano tanecikleri1,2, kullanımı ile son teknolojik gelişmeler güneş enerji dönüşümü ve yüksek yoğunluklu veri depolama kabulü için önemlidir 3 , 4 , 5. bazı işlemek ve Nano ışıkta denetlemek için bu nano tanecikleri alabilmeniz Plazmonik bu nano tanecikleri manyetik özellikleri ilginç bir şekilde, öyle. Bu kontrol edilebilirlik ışık Nano, olay ışık ışık tuzak geliştirmek ve yüzey absorptivity artırmak imkanı sağlar. Bu aynı özelliklere dayalı ve nano tanecikleri birinde bir manyetik ve manyetik olmayan devlet sahip olma yeteneği olan, bilim adamları da yüksek yoğunluklu dijital veri depolama için yeni bir platform tanımlıyoruz. Her bu uygulamalar, bu önemlidir bu büyük alan ve uygun fiyatlı nanofabrication tekniği nanopartikül boyut, Aralık ve şekil kontrolünü sağlayan gelişmiş olduğunu.
Nano tanecikleri üretmek için kullanılabilir teknikleri çoğunlukla önemli ölçeklenebilirlik ve sorunları mal Nano litografi üzerinde temel alır. Bu tekniklerin ama bugüne ölçeklenebilirlik sorunla ilgili olarak çalıştınız birden çok farklı çalışma yapılmıştır, hiçbir işlem nanopartikül imalatı için gerekli denetim düzeyini sağlayan ve bu maliyet ve zaman için etkili var evlat edinme endüstriyel uygulamalarda6,7,8,9,10,11. Bazı son araştırma çabalarının kontrol edilebilirlik indüklenen lazer (PLiD) dewetting ve şablonu esas alan katı hal dewetting12,13,14gelişmiş, ama hala önemli var gerekli litografi adımlar ve böylece ölçeklenebilirlik sorun.
Bu makale, evlat edinme veba vardır bu ölçeklenebilirlik ve maliyet konuyu bir nanofabrication yöntemi Protokolü ve kullanımı yaygın endüstriyel uygulamalarda nanopartikül filmlerin mevcut. Bu işleme yöntemi dikte yüzey enerjileri işleyerek aralığı ve üretilen nanopartikül boyutu üzerinde kontrol sağlar, kendinden montajlı oluşan nano tanecikleri. Burada, biz altın nano tanecikleri, üretmek için ince bir altın film kullanarak bu tekniğin kullanımı göstermek ama biz son zamanlarda bir nikel film istimal bu yöntem biraz daha farklı bir sürümü yayımlanmıştır ve böylece bu teknik-ebilmek var olmak kullanılmış ile istediğiniz herhangi bir metal. Bu yöntemin işleminin karmaşıklığını ve maliyetini en aza indirerek nanopartikül filmler üretmek için hedeftir ve böylece hangi atom katman ifade ve nanosaniye lazer ile Ni-Alümina sistemde kullanılan ve yerine önceki yaklaşımımız değiştirdiniz Onlarla fiziksel Buhar biriktirme ve sıcak bir tabak. Ni-Alümina sistemi çalışmalarımız sonucu da dewetting15sonra yüzey morfolojisi üzerindeki kabul edilebilir bir seviyeye gösterdi.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Not: Geniş alanlara imalat kontrol edilebilir ve özelleştirilebilir altın nanopartikül filmlerin detaylı iletişim kuralı takip ederek elde edilir. Protokol (1) yüzey hazırlama, (2) dewetting ve gravür ve karakterizasyonu (3) üç ana alanları izler.
1. yüzey hazırlama
- Substrat (100 nm SiO2 ' Si) bir aseton durulama bir temizlik iÖin izopropil alkol durulama tarafından takip ve bir akış N2 gaz kullanarak kuru kullanarak temizleyin.
- Substrat termal Evaporatör sisteme yük ve metal film birikimi için istenen basınç ulaşmak için tahliye edin. Odası 10-6 Torr hava ve su buharı odasında kaldırılması için satılabilir bir basınç tahliye emin olun.
- Termal Evaporatör kullanarak istediğiniz kalınlıkta altın film mevduat (5 nm bu durumda). Altın kaynak malzeme 0,5 mm çap tel altın (%99,99 saf) şeklinde elde edildi. Kalınlığı kontrol tüm ifade aşamaları için makine, kalibrasyon tarafından gerçekleştirilen tüm önemli parametreleri dikkate unutmayın ve kalınlık ölçüm yapılmasına sonrası. Her iki ifade aşamalarında argon basınç millitorrs (1-5 mTorr) birkaç farklı baskılar için ifade hızını ayarlamak için seçilen aralığın verilir...
- Delik ve substrat yatırılan metal film ile termal Evaporatör sisteminizden kaldırın. Protokol burada duraklatılmış.
- Doğru akım (DC) magnetron sputter biriktirme sistemi belgili tanımlık substrate yatırılan metal film ile yük ve kapatma film (Tablo reçetesi) birikimi için istenen basınç ulaşmak için tahliye.
- Örnek yük koymak makine içindeki örnek bulmak için kilit ve cihazın aktarır örnek vakum yeterli düzeyde sağlamak için ana ifade odasına. Alümina kapatma ifade katman hikayeleri yer sonraki adımda ve bu adımı aparatı ve örnek ana ifade odasına nasıl transfer örnek yerleştirme işlemi açıklayan unutmayın.
- İstenen malzeme ve kalınlık kapatma tabakası Kasası. Alümina devrilmesinden sonra benzer bir yordam ve altın katman biriktirme, değişken kalınlığı Alümina durumu bu durumda takip ettiği unutmayın. Alümina kaynak malzeme 50.8 mm çapında, 6, 35 mm kalın sputter hedef alüminyum oksit (%99,5 saf) şeklinde elde edildi.
- Havalandırma DC magnetron ifade odası şaplatın ve hazırlanan örnek kaldırın. (Tablo malzeme). Protokol burada duraklatılmış.
2. dewetting ve Matlaştırma
- Hazırlanan örnek Önceden ısıtılmış sıcak bir tabak üzerine yerleştirin. Alümina ile şapkalı 5 nm altın film için örnek 300 ° c ısı ve örnek 1 h için dewet izin. Protokol burada duraklatılmış.
- Alümina ise altın bırakarak ve SiO2/sı substrat 3:1 temel etch: 1 = H2O:NH4OH:H2O2 (wt %) olarak Çözüm 1 h. işleminin kukuIeta ve aşındırıcı ve çevresel tehlikeli madde ile başa çıkmak için tüm önlemleri gerçekleştirilir Not için 80 ° C'de alınmalıdır. Protokol burada duraklatılmış.
3. karakterizasyonu
- Aseton ve izopropil alkol N2ile kurutma tarafından takip durulama vakum uyumlu olmak örnek hazırlamak.
- Görüntü tarama elektron mikroskobu (SEM) kullanarak nanopartikül filmler yüksek vakum altında ve yüksek büyütmede (50, 000 X büyütme bu durumda en az boyutlu nano tanecikleri gidermek için). Protokol burada duraklatılmış.
- Nanopartikül boyutu ve aralığı dağıtımları bilgilerini elde etmek için görüntü analizi gerçekleştirin. Görüntü analizi yapılır bu eşikleri MATLAB tabanlı kod kullanarak gri tonlamalı görüntü gürültü azaltma ve rutinleri15doldurma parçacık gerçekleştirir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Burada açıklanan Protokolü birden çok metaller için kullanılan ve geniş alanlara, kontrol edilebilir boyutu ve aralığı üzerinde bir yüzey üzerinde nano tanecikleri üretmek için yetenek göstermiştir. Şekil 1 fabrikasyon nanopartikül boyutunu ve aralıklarını kontrol yeteneği gösteren temsilcisi sonuçları ile iletişim kuralını gösterir. Bu protokol, fabrikasyon nanopartikül film boyutu ve aralığı dağıtımları sonucu, sonrası metal, substrat seçimi, katman malzeme, metal kalınlığı ve kapatma kapatma seçeneği seçimi bağımlı olacak Katman kalınlığı. Bu parametrelerden herhangi birini ayarlayarak, bir üst karakter ve bu dağıtımlar değişiklik beklenir. Örneğin, 5 nm altın film tabakası kalınlıkları 0 kapatma Al2O3 SiO2 nm, 5 nm, 10 nm ve 20 nm sonucu ortalama nanopartikül yarıçapı içinde 14,2 nm, 18,4 nm, 17,3 nm ve 15,6 nm , sırasıyla, 36,9 bir ortalama nanopartikül aralığını nm, 56.9 nm, 51.3 nm ve 47.2 nm, anılan sıraya göre.
Şekil 1: grafik görüntü iletişim kuralı ve temsilcisi sonuç. Sunulan histogramlar ilik (sol üst) ve dönüş yarıçapını (sol alt) dağıtım parçacık vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2: SEM görüntü katmanı Hayır kapatma (a) ve örnekleri 5 (b), (d) katman sınırı 10 (c) ve 20 nm. Parçacık boyut ve dağıtımları değişikliği görüntüleri karşılaştırarak belli. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokol kontrol edilebilir özelliklere sahip geniş alanlar üzerinde bir yüzey üzerinde nano tanecikleri üretmek için bir nano-üretim süreci için uygun ve kolay bir işlemdir. Parçacıklar üretim için açar, dewetting fenomen en düşük yüzey enerji elde etmek için dewetted katman eğilimi üzerinde temel alır. Denetimin boyutunu ve şeklini parçacıkların üzerine ana katman yüzey enerjileri ayarlamak için ikinci bir yüzeyde birikimi ile hedeflenmiştir ve kapatma katman üzerinde parçacıklar eğmek için yapışma ve enerji arasındaki son denge gerekli türleri için farklı yüzey Morfoloji neden farklı dewetting rejimler belirler. Bu iletişim kuralı tasarlanmış ve ekipman ve genellikle temel microfabrication ekipman ve işlem yetenekleri olan herkes için erişilebilir olan işlemleri dayalı gösterdi. Gösterdiği yaklaşımda son nanopartikül dağıtım üzerinde ek denetim metal film kalınlığı, kap tabakası kalınlığı, substrat malzeme ve kap katmanı malzeme değiştirerek elde edilebilir. Bu işlem değişkenler arasında nanopartikül boyutu ve aralığı geniş elde edilebilir.
Ek adımları ekleyerek veya geçerli protokolünde kullanılan teknikler yerine nanopartikül dağılımları nanopartikül boyutu ve Aralık, daraltma daha geniş dahil olmak üzere üzerinde daha fazla denetim sonuçlanan sürecin ek değişiklik sağlayabilir nanopartikül dağılımları, veya yeteneği multimodal nanopartikül filmler üretmek için. Bu iletişim kuralı tasarlanmış ve erişilebilirlik üzerine vurgu ile gösterdi ve düşük maliyetli. Daha fazla Aralık isterseniz, bir hızlı termal tavlama sistemi ya da lazer ile Isıtma hızını değiştirmek ve daha fazla nanopartikül denetim sağlar. Multimodal nanopartikül dağıtım isterseniz, litografi (elektron ışını litografi veya fotolitografi) ara adımlardan metal ifade önce veya cap katman ifade önce eklenebilir. Litografi adım (lar) bir değişken kalınlığı metal ya da kap katmanında yüzey ve böylece farklı nanopartikül dağıtım arasında neden olur.
Nanopartikül filmin belirli uygulamaya bağlı olarak istenen metal kolayca yapılabilir başka bir değişiklik olduğunu. Burada, gösteri altın Plazmonik özellikleri nedeniyle kullanılan, ama benzer şekilde, metalik bir nanopartikül veya diğer Plazmonik nanopartikül veya hatta bir çekirdek-kabuk nanopartikül istenen. Bu metal film malzemesi değiştirerek elde edilir. Bu değişiklik yüzey enerjileri farklılıkları nedeniyle ortaya çıkan nanopartikül dağıtım etkileyecek ama aynı eğilimleri beklenir. Kapatma katman kalınlığı elde edilen nanopartikül boyutunu ve aralıklarını kontrolünü sağlar unutmayın. Yeni malzeme sistemleri için kontrol ölçüde bir anlayış gerekli olacaktır.
Bu protokol güneş enerjisi dönüşüm yüksek yoğunluklu veri depolama için arasında değişen uygulamalar için geniş alan nanoparçacık substrat tabanlı imalat sorunu ortadan kaldırmak için tasarlanmıştır. Bu uygulamalar büyük bir alan, iyi tanımlanmış ve kontrollü nano tanecikleri ile nano tanecikleri gerektirir. Nano tanecikleri pahalı ekipman ve endüstriyel uygulamalar için yapamayız zaman yoğun işlemler bu uygulamalarda yer etkisi çalışma için araştırma laboratuvarlarında kullanılan teknikleri. Bu iletişim kuralı gerekli denetim düzeyi uygun ve hızlı adımlar işleme bağlıdır göstermiştir.
Bu iletişim kuralının substrat tabanlı işleme gerektiren herhangi bir nanopartikül film üretimi için devrimci bir teknik olma potansiyeli vardır. Bu gösteri sadece bir tek malzeme sistemi ile yapılır, ama kısa vadede kontrol ve bu iletişim kuralı tarafından sağlanan özelleştirme tüm yeteneklerini keşfetmek için daha fazla araştırma yapılacaktır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
SEM sonuç Utah State Üniversitesi'nde mikroskobu çekirdek tesisinden desteği anıyoruz. Ayrıca DC Magnetron SAÇTIRMA sistemi, (alan elektron ve iyon) için Ulusal Bilim Vakfı (Ödülü #133792) için Ulusal Bilim Vakfı (Ödülü #162344) kabul FEI Quanta 650 ve Enerji Bakanlığı, nükleer enerji Üniversitesi FEI Nova Nanolab 600 için program.
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).
