Un metodo per fabbricare nanostrutture d'argento disconnesse in 3D

Summary

-Laser a femtosecondi diretta scrittura viene spesso utilizzato per creare tridimensionali (3D) in modelli di polimeri e bicchieri. Tuttavia, i metalli di patterning in 3D rimane una sfida. Si descrive un metodo per fabbricare nanostrutture argento incorporati all'interno di una matrice polimerica utilizzando un laser a femtosecondi centrato a 800 nm.

Abstract

Il toolkit nanofabbricazione standard include tecniche volte principalmente a creare modelli 2D in mezzi dielettrici. Creazione di modelli di metallo su una scala inferiore al micron richiede una combinazione di strumenti di nanofabbricazione e diverse fasi di lavorazione dei materiali. Ad esempio, i passaggi per creare strutture metalliche planari usando fotolitografia ultravioletta e litografia a fascio elettronico può includere l'esposizione del campione, lo sviluppo del campione, deposizione del metallo, e decollo metallo. Per creare strutture metalliche 3D, la sequenza viene ripetuta più volte. La complessità e la difficoltà di stoccaggio e allineare più livelli limita implementazioni pratiche di strutturazione metallo 3D utilizzando gli strumenti standard di nanofabbricazione. -Laser a femtosecondi diretta scrittura è emersa come una preminente tecnica di nanofabbricazione 3D. ^1,2 laser a femtosecondi sono spesso utilizzati per creare modelli 3D in polimeri e occhiali. ^3-7 Tuttavia, metallo 3D diretto scrivendo rimane una sfida. Qui,descrivono un metodo per fabbricare nanostrutture argento incorporati all'interno di una matrice polimerica utilizzando un laser a femtosecondi centrato a 800 nm. Il metodo consente la realizzazione di modelli non realizzabili con altre tecniche, come array 3D di voxel argento sconnessi. ⁸ pattern metallici disconnesse 3D sono utili per metamateriali pile unitarie quando non sono in contatto tra loro, ⁹ come metallo dot accoppiata ^{10, 11} o accoppiato tondino metallico ^12,13 risonatori. Le possibili applicazioni includono metamateriali indice negativo, mantelli dell'invisibilità, e lenti perfette.

In femtosecondi-laser direct-scrittura, la lunghezza d'onda del laser viene scelto in modo che non siano linearmente fotoni assorbiti nel supporto di destinazione. Quando la durata dell'impulso laser è compresso alla scala dei tempi femtosecondi e la radiazione è ben focalizzato all'interno del bersaglio, l'intensità estremamente alta induce assorbimento non lineare. Più fotoni vengono assorbiti simultanealy causare transizioni elettroniche che portano alla modificazione materiale all'interno della regione concentrato. Usando questo approccio, si può formare strutture nella massa di un materiale piuttosto che sulla sua superficie.

La maggior parte dei lavori di scrittura in metallo 3D diretto è concentrata sulla creazione di auto-supportati strutture metalliche. ^14-16 Il metodo qui descritto produce sub-micrometriche strutture d'argento che non hanno bisogno di essere auto-sostenuta, perché sono inseriti all'interno di una matrice. Un drogato matrice polimerica è preparata usando una miscela di nitrato d'argento _(AgNO3), polivinilpirrolidone (PVP) e acqua (H ₂ O). I campioni vengono poi modellati per irraggiamento con un 11-MHz laser a femtosecondi produzione di 50-fs impulsi. Durante l'irradiazione, fotoriduzione di ioni argento è indotta tramite assorbimento non lineare, creando un aggregato di nanoparticelle di argento nella regione focale. Con questo approccio si creano modelli d'argento incorporati in una matrice PVP drogato. Aggiunta traduzione in 3D della sampio si estende il patterning a tre dimensioni.

Protocol

1. Preparazione metallo-ioni Doped film polimerico

1. Misurare 8 ml di acqua in un becher.
2. Aggiungere 206 mg di PVP all'acqua. Miscelare con agitatore magnetico o vortex finché la soluzione è limpida.
3. Aggiungere 210 mg di soluzione di AgNO _3. Miscelare con agitatore magnetico o vortex fino a soluzione è chiara.
4. Cappotto vetrino con la soluzione attraverso la fusione goccia.
5. Posto vetrino in una serie forno a 100 ° C. Cuocere campione per 30 min.
6. Togliere il campione dal forno e lasciate raffreddare per 30 minuti.

2. Fabbricazione di strutture d'argento disconnesse

1. Allineare la configurazione illustrata nella figura 1 il tavolo ottico con antivibranti.
2. Regolare compressore per ottenere 50-FSEC impulsi dopo obiettivo microscopio.
3. Regolare filtri a densità neutra per ottenere 3-NJ impulsi dopo l'obiettivo.
4. Assicurarsi dimensione dello spot laser è più grande apertura posteriore dell'obiettivo microscopio.
5. Impostare acustoottico modulatore per produrre 10-psec finestre di esposizione durante la quale viene irradiato il campione.
6. Fascio laser blocco prima che raggiunga il campione microscopio e posto su tre assi stadio di traslazione. Il percorso del fascio di impulsi laser a femtosecondi le deve passare attraverso l'obiettivo microscopio imaging e nel campione.
7. Accendere la sorgente di illuminazione microscopio per osservare il campione in-situ con camera CCD.
8. Tradurre asse z di fase per trovare all'interfaccia tra il substrato di vetro e il film polimerico. Poi, riorientare microscopio alla profondità desiderata all'interno polimero per patterning fondo-più strato. Z-traduzione durante patterning deve essere nella direzione opposta al vetro polimero interfaccia per evitare dispersione con strutture fabbricate.
9. Sblocca raggio laser e set motion-controller di software per tradurre campione in x -, y - z - le direzioni con velocità di 100 micron / sec. Irradiare voxel singolo per 10 msec unnd voxel vicini separati da almeno diversi micrometri per una chiara in-situ di imaging. Impostazione acustoottico frequenza di ripetizione modulatore a 25 Hz produrrà 4 micron spaziatura. Aree esposte al laser conterrà strutture d'argento.

Representative Results

Acustoottico modulatore e filtri a densità neutra (Figura 1) permettono di controllare la quantità di energia depositata nel campione. Utilizzando una esposizione di 110 impulsi per voxel e 3 nJ per impulso, con la fase traducendo a 100 micron / sec, le strutture argento risultanti sono facilmente visibili attraverso l'in-situ microscopio ottico. Bassi livelli di esposizione laser (riducendo l'energia di impulso e / o il numero di impulsi) portano alle caratteristiche d'argento più piccoli, che abbiamo osservato. Caratteristiche il più piccolo 300 nm ⁸ è possibile creare strutture d'argento utilizzando una vasta gamma di energie di impulso da meno di un Figura nanojoule a nanojoules diversi. 3 mostra rendering 3D di immagini scattate ottiche di un campione fabbricato. Il modello, costituito da una matrice di punti su un altro array, è mostrato da due angoli. I dati possono anche essere visualizzati attraverso video, immagini sequenziali microscopia ottica sono animati nell'articolo video. Il thickness della matrice polimerica è controllato dalla quantità di soluzione utilizzata durante il processo di colata goccia. Un millilitro di soluzione su un cm 2.5 x 2.5 cm vetro scorrevole produce circa 15 micron film spesso.

Immagini ad alta risoluzione di strutture prefabbricate argento può essere ottenuta tramite SEM imaging. Figura 4 mostra le immagini SEM di un campione costituito da una matrice 2D di punti che sono fabbricati direttamente sul substrato di vetro. Siamo facilmente ottenere le caratteristiche d'argento che sono sub-micrometrica di dimensione.

Figura 1. Configurazione fabbricazione laser. I componenti principali della nostra configurazione fabbricazione comprendono un laser a femtosecondi, un isolatore di Faraday, un compressore, un modulatore acusto-ottico (AOM), a densità neutra (ND) filtro, un microscopio con fotocamera, una elevata precisione a 3 assi stadio di traslazione , e un supporto da tavolo ottico ed il smorzatori di vibrazioni. Il laser produce 50-fs impulsi laser centrato a 800 nm con una frequenza di ripetizione di 11 MHz. Il compressore pre-compensa la dispersione nel percorso del fascio ottico per ottenere 50-fs impulsi al campione. L'AOM e ND funzione di filtro come un otturatore e un attenuatore per controllare l'esposizione laser del campione. Usiamo un 0,8-NA obiettivo microscopio a fuoco contemporaneamente il raggio laser e l'immagine del campione durante la fabbricazione. La posizione del campione viene controllata da una alta precisione a 3 assi stadio di traslazione. L'intera impostazione è montato su un tavolo ottico con isolamento di vibrazione.

Figura 2. Schematica complessiva dell'esperimento. Un campione viene preparato rivestendo un vetrino con una miscela di PVP, AgNO ₃ e H ₂ O. Una volta che il campione viene preparato, patterning è un passo singolo processo.

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Figura 3. 3D rendering immagini di una matrice di argento dot all'interno di una matrice. (A) due strati array di 18 punti d'argento creati all'interno di una matrice. Per chiarezza, i due strati di punti sono rappresentati in diversi colori. Il rendering è stato creato da impilare in sequenza immagini di microscopia ottica. (B) Una visione diversa della matrice 3D.

Figura 4. Alta risoluzione immagini SEM di un campione modellato. Punti d'argento sono creati in vetro / polimero interfaccia per consentire SEM imaging. La matrice polimerica viene rimosso dopo la lavorazione per evitare un'ulteriore crescita argento guidato dal fascio di elettroni. ⁸ (a) di una matrice di punti 2D argento su un substrato di vetro. A) Primo piano vista di punti d'argento da un 61 ° di inclinazioneangolo.

Discussion

La chiave per il processo è ottenere una matrice dielettrico drogato che consente fabbricazione ad alta risoluzione, ma non degrada subito dopo la preparazione. Una semplice miscela di PVP, AgNO ₃ e H ₂ O permette la creazione di alta risoluzione nanostrutture argento che sono incorporati all'interno di una matrice di supporto. Variando il PVP di _AgNO3 rapporto cambierà l'energia del laser necessaria per la fabbricazione, e le proprietà potenzialmente altre funzionalità come la risoluzione. Un basso rapporto conduce veloce degradazione della matrice dielettrica, e un elevato rapporto porta a quantità molto basse di argento in caratteristiche fabbricati.

Il punto laser dimensione minima-che dipende dalla lunghezza d'onda, laser parametro mode del fascio, e obiettivo microscopio apertura numerica (NA), è a 900 nm per il nostro sistema. La natura non lineare delle interazioni luce-materia può portare a funzioni d'argento che sono più piccoli di questa dimensione dello spot. Abbiamo dimostrato di 300 nm argento caratteristiche ucantare nostra configurazione ottica. ⁸ L'obiettivo usato in questo esperimento ha una NA di 0,8 e una distanza di lavoro di 3 mm, consentendo il potenziale per campioni spessi modello 3D. Forte focalizzazione-una NA di 1,4 è tipico per patterning tecniche laser femtosecondi-porterebbe ad una dimensione molto più piccola macchia laser con il compromesso di una distanza di lavoro più breve.

La risoluzione della tecnica potrebbe essere aumentato con forti ottiche di focalizzazione e, potenzialmente, modificando la chimica. In direzione opposta, grandi caratteristiche possono essere facilmente creata aumentando energia laser e tempo di irradiazione. Forme specifiche, come linee brevi, può essere ottenuta con la scansione laser continuo su una distanza. Le applicazioni future di questa tecnica possono includere metamateriali indice negativo, mantelli dell'invisibilità, e lenti perfette per i regimi di lunghezza d'onda ottica e infrarossa. ⁹ Queste applicazioni dipendono fortemente dalle proprietà ottiche del silver nanostrutture.