Summary
Laser femtosegundo escrita direta é freqüentemente usado para criar tridimensionais (3D) em polímeros padrões e óculos. No entanto, os metais de padronização em 3D continua a ser um desafio. Descreve-se um método para a fabricação de nanoestruturas de prata embutido no interior de uma matriz de polímero usando um laser de femtosegundos centrado em 800 nm.
Abstract
O kit de ferramentas inclui técnicas de nanofabricação padrão principalmente destinadas a criar padrões 2D em meios dielétricos. Criando padrões de metal em uma escala submicron requer uma combinação de ferramentas nanofabricação e vários passos de processamento do material. Por exemplo, os passos para criar estruturas metálicas planas usando fotolitografia ultravioleta e litografia por feixe de elétrons podem incluir a exposição da amostra, desenvolvimento da amostra, a deposição de metal e decolagem metal. Para criar estruturas metálicas em 3D, a sequência é repetida várias vezes. A complexidade e dificuldade de empilhamento e alinhamento de camadas múltiplas limita implementações práticas de estruturação de metal 3D usando ferramentas de nanofabricação padrão. Laser femtosegundo escrita direta surgiu como uma técnica de pré-eminente de nanofabricação 3D. 1,2 lasers de femtossegundos são freqüentemente usados para criar padrões 3D em polímeros e vidros. 3-7 No entanto, metal 3D direto escrever permanece um desafio. Aqui, nósdescrevem um método para o fabrico de nanoestruturas de prata embutido no interior de uma matriz de polímero usando um laser de femtosegundos centrado em 800 nm. O método permite a fabricação de padrões não viáveis utilizando outras técnicas, tais como matrizes 3D de voxels prata desconectadas. 8 desconectados padrões de metal 3D são úteis para células unitárias metamateriais onde não estão em contacto uns com os outros, tais como o metal 9 acoplado ponto 10, 11 ou acoplado haste de metal 12,13 ressoadores. As aplicações potenciais incluem metamateriais índice negativo, capas de invisibilidade, e lentes perfeitas.
Em femtosegundo laser de escrita directa, o comprimento de onda do laser é escolhido de tal modo que não são linearmente fotões absorvidos no meio-alvo. Quando a duração do pulso de laser é comprimida para a escala de tempo de femtossegundos e a radiação é fortemente centrado no interior do alvo, a intensidade extremamente elevado induz a absorção não-linear. Fotões são absorvidos vários simultânealy para causar transições electrónicas que levam a alterações significativas na região focada. Utilizando esta abordagem, pode-se formar estruturas na massa de um material, em vez de na sua superfície.
A maioria dos trabalhos sobre a escrita de metal 3D direto tem focado na criação de estruturas de auto-suporte de metal. 14-16 O método descrito aqui produz estruturas sub-micrométricas de prata que não precisam de ser auto-suportadas porque estão embutidos dentro de uma matriz. Um polímero dopado matriz é preparado utilizando uma mistura de nitrato de prata (AgNO3), polivinilpirrolidona (PVP) e de água (H2O). As amostras são então modelado por irradiação com um laser de femtosegundos 11-MHz produzir 50-fs pulsos. Durante a irradiação, fotoredução de iões de prata é induzida através da absorção não-linear, a criação de um agregado de nanopartículas de prata, na região focal. Usando essa abordagem, criar padrões de prata incorporados em um PVP dopado matriz. Adicionando tradução em 3D do samplo estende o padrão para três dimensões.
Protocol
1. Preparando metal-íon Doped filme de polímero
- Medir 8 ml de água numa proveta.
- Adicionar 206 mg de PVP com a água. Misturar utilizando um agitador magnético ou misturador de vórtice até que a solução fique límpida.
- Adicionar 210 mg de AgNO3 à solução. Misturar utilizando um agitador magnético ou misturador de vórtice até que a solução é límpida.
- Slides revestimento de vidro com solução através da fundição de queda.
- Colocar a lâmina de vidro em um conjunto de forno a 100 ° C. Asse amostra durante 30 minutos.
- Remover a amostra do forno e deixe esfriar por 30 minutos.
2. Fabricação de Estruturas de prata Disconnected
- Alinhar a configuração ilustrada na Figura 1 na tabela óptica com isoladores de vibração.
- Ajuste compressor para obter 50-FSEC pulsos após objectiva do microscópio.
- Ajustar filtros de densidade neutra para se obter 3-nj pulsos após o objectivo.
- Assegurar o tamanho do ponto laser é maior do que a volta da abertura da objetiva do microscópio.
- Definir modulador acústico-óptico para a produção de vidros de 10 mseg, durante o qual a exposição a amostra é irradiada.
- Bloco de raio laser antes que ele atinja a amostra de microscópio e em lugar de 3 eixos fase de tradução. O percurso do feixe de impulsos de laser femtosegundo deve passar através da objectiva de microscópio de imagem e para a amostra.
- Ligue fonte de iluminação do microscópio para observar a amostra in-situ utilizando a câmara CCD.
- Traduzir eixo z de fase para encontrar de interface entre o substrato de vidro e película de polímero. Então, reorientar microscópio para a profundidade desejada dentro do polímero para a camada inferior mais patterning. Z-tradução durante padronização devem ser na direcção para longe da interface vidro-polímero para evitar a dispersão com estruturas fabricadas.
- Desbloquear feixe de laser e software conjunto controlador de movimento para traduzir amostra em x -, y - e z - direções com velocidade de 100 mm / seg. Irradiar voxels individuais para 10 ms umaª separados voxels vizinhos por pelo menos vários micrômetros para imagens in-situ claro. Definir óptico-acústico taxa de repetição de 25 Hz para modulador irá produzir quatro mícrons espaçamento. Áreas expostas a laser irá conter estruturas de prata.
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Representative Results
O modulador acústico-óptico e filtros de densidade neutra (Figura 1) permitem controlar a quantidade de energia depositada na amostra. Usando uma exposição de 110 impulsos por voxel e nJ 3 por impulsos, com a etapa de conversão em 100 um / segundo, as estruturas de prata resultantes são facilmente visíveis por microscopia óptica in-situ. Níveis mais baixos de laser de exposição (reduzindo a energia de pulso e / ou o número de impulsos) de chumbo para características menores prata,. Que observamos características tão pequeno quanto 300 nm 8 É possível criar estruturas de prata, utilizando uma ampla gama de energias de impulso a partir de menos de um Figura nanojoule para nanojoules vários. 3 mostra renderings 3D de imagens ópticas tomadas de uma amostra fabricada. O padrão, consistindo de uma matriz de pontos na parte superior de uma outra matriz, é mostrada a partir de dois ângulos diferentes. Os dados também podem ser visualizados através de vídeos, imagens seqüenciais de microscopia óptica são animados no artigo vídeo. O thickness da matriz de polímero é controlada pela quantidade de solução utilizada durante o processo de fundição da gota. Um mililitro de solução em um 2,5 cm x 2,5 cm aproximadamente lâmina de vidro origina uma película de 15 um de espessura.
Imagens de alta resolução de estruturas fabricadas de prata pode ser obtido por meio de imagem MEV. Figura 4 mostra imagens de SEM de uma amostra constituída por uma matriz de pontos 2D que são fabricados directamente sobre o substrato de vidro. Nós prontamente obter características de prata que são sub-micrométrico de tamanho.
Figura 1. Laser instalação de fabricação. Os principais componentes da nossa instalação de fabricação inclui um laser de femtosegundos, um isolador de Faraday, um compressor, um modulador acústico-óptico (AOM), um de densidade neutra (ND) de filtro, com um microscópio de câmara, uma elevada precisão de 3 eixos fase tradução , e uma montagem tabela óptica ed em isoladores de vibração. O laser produz pulsos de 50 fs de laser em 800 nm com uma taxa de repetição de 11 MHz. O compressor pre-compensa a dispersão no caminho do feixe óptico para obter 50-fs pulsos na amostra. O AOM e ND função de filtro como um obturador e um atenuador para controlar a exposição do laser da amostra. Usamos uma objectiva de microscópio de 0.8-NA, simultaneamente, focar o feixe de laser e da imagem da amostra durante a fabricação. A posição da amostra é controlada por uma alta precisão de 3 eixos fase de tradução. A configuração inteira é montada sobre uma mesa óptica com isolamento de vibrações.
Figura 2. Esquemática geral da experiência. A amostra é preparada por revestimento com uma lâmina de vidro com uma mistura de PVP, AgNO 3, e H 2 O. Uma vez que a amostra é preparada, patterning é um processo de etapa única.
Figura 3. 3D rendeu imagens de uma matriz de pontos de prata no interior de uma matriz. (A) matriz de 2 fases de 18 pontos de prata criadas dentro de uma matriz. Para maior clareza, as duas camadas de pontos são representados por cores diferentes. A prestação foi criado pelo empilhamento de imagens seqüenciais de microscopia óptica. (B) Uma visão diferente da matriz 3D.
Figura 4. High-resolution SEM imagens de uma amostra padronizada. Pontos de prata são criadas na interface vidro / polímero para permitir SEM imaging. A matriz de polímero é removido após o fabrico a fim de evitar o crescimento de prata adicional accionado pelo feixe de electrões. 8 (a) Imagem de uma matriz de pontos 2D prata sobre um substrato de vidro. A) Feche acima da vista de pontos de prata de um 61 ° de inclinaçãoângulo.
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Discussion
A chave para o processo é a obtenção de uma matriz dieléctrica dopado que permite a fabricação de alta resolução, mas não se degrada mais rapidamente após a preparação. Uma mistura simples de PVP, AgNO 3 e H 2 O permite a criação de nanoestruturas de alta resolução de prata que estão incorporados no interior de uma matriz de suporte. Variando a proporção de PVP de AgNO 3 irá alterar a energia de laser necessária para a fabricação, e outras propriedades, tais como potencialmente resolução funcionalidade. Uma taxa baixa conduz a mais rápida degradação da matriz dieléctrica, e um rácio elevado conduz a quantidades muito baixas de prata nas características fabricadas.
O ponto de laser de tamanho mínimo que depende do comprimento de onda, o parâmetro de modo de feixe laser, e a abertura microscópio objectivo numérica (NA)-se a 900 nm para o nosso sistema. A natureza não linear das interações luz-matéria pode conduzir a características de prata, que são menores do que este tamanho de ponto. Nós demonstramos 300-nm de prata características ucantar nossa configuração óptica. 8 O objectivo da utilizada nesta experiência tem um NA de 0,8 e uma distância de trabalho de 3 mm, o que permite a possibilidade de as amostras de padrão de espessura 3D. Mais forte focando-um NA de 1,4 é típico para padronização de técnicas laser de femtosegundos-levaria a um tamanho muito menor ponto laser com a troca de uma distância de trabalho mais curta.
A resolução da técnica pode ser aumentada com mais fortes óptica de focagem e, potencialmente, ao modificar a química. Na direcção oposta, as características de maior dimensão pode ser facilmente criado através do aumento da energia laser e tempo de irradiação. Formas específicas, tais como linhas curtas, podem ser obtidos por varrimento o laser continuamente ao longo de uma distância. Futuras aplicações da técnica pode incluir metamateriais índice negativo, capas de invisibilidade, e lentes perfeitas para os regimes de comprimento de onda ópticos e infravermelhos. 9 Estas aplicações dependem fortemente das propriedades ópticas da silnanoestruturas ver.
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Disclosures
Não há conflitos de interesse declarados.
Acknowledgments
Reconhecemos Paulo JL Webster para a renderização 3D dos dados ópticos com Amira. Phil Muñoz e Benjamin Franta desde comentários sobre o manuscrito todo o seu desenvolvimento. A pesquisa descrita neste trabalho foi apoiado pela Força Aérea, Escritório de Pesquisa Científica em bolsas FA9550-09-1-0546 e FA9550-10-1-0402.
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