Fabbricazione di matrici Nanocup oro periodica mediante Litografia colloidale

L'obiettivo generale di questa procedura è quello di fabbricare e caratterizzare matrici periodiche di nanocoppe d'oro utilizzando una tecnica semplice e a basso costo chiamata litografia colloidale. Le nanocoppe d'oro o nanogusci hanno proprietà ottiche uniche che hanno trovato applicazione in aree come l'ottica non lineare, i metamateriali e il rilevamento chimico. In questo video imparerai come fabbricare film di array nanoplasmonici flessibili e trasparenti utilizzando una tecnica a basso costo basata sull'autoassemblaggio di nanosfere di polistirene altamente monodisperse.

Questo approccio ha il vantaggio della scalabilità rispetto ai processi seriali come la litografia EUV. Questi film costituiti da matrici periodiche di nanotazze d'oro o nanogusci hanno applicazioni che vanno dal rilevamento chimico, all'indicazione di manomissione e al fotovoltaico. Inoltre, è semplice regolare la risonanza plasmonica di questi film dal visibile al vicino infrarosso a seconda dell'applicazione desiderata.

Questo video descriverà la fabbricazione degli array di nanotazze d'oro su un substrato di silicone sacrificale, la caratterizzazione ottica delle strutture risultanti e trasferirà i film su un film adesivo trasparente. Innanzitutto, posiziona diversi wafer di silicone in un supporto di quarzo per la pulizia al plasma. Ciò garantisce una superficie idrofila pulita, essenziale per l'autoassemblaggio delle nanosfere polimeriche.

Quindi, posizionare il vettore di quarzo nel sistema al plasma e avviare il vuoto. Il sistema è stato configurato per una pulizia al plasma di ossigeno da 250 watt in 15 minuti con una portata di 30 SCCM di ossigeno. Mentre i wafer di silicone vengono puliti al plasma, rimuovere la soluzione di nanosfere di polistirene dal frigorifero e lasciarli riscaldare a temperatura ambiente.

Per garantire una soluzione uniforme, mescolare brevemente la soluzione a vortice per un minuto. Quindi sonicare la soluzione per un minuto. Per ottenere un monostrato durante lo spin coating, è generalmente necessario diluire la soluzione di nanosfera stock al 10% in peso.

Per fare ciò, utilizziamo acqua pulita e di elevata purezza per diluire la soluzione di nanosfera in un solido del cinque per cento in peso. Rimuovere i wafer di silicone puliti dal sistema al plasma e ispezionarli per verificare la presenza di eventuali contaminanti come polvere o residui organici. Se un wafer è accettabile, montarlo al centro della centrifuga e avviare il vuoto.

Quindi, impostare la centrifuga sulla velocità, l'accelerazione e il tempo di centrifuga appropriati. Questo varierà in base alle dimensioni e alla concentrazione delle nanosfere di polistirene utilizzate. In questo caso, impostare la centrifuga su 3.000 giri/min 2.000 giri/min al secondo per un minuto per produrre una copertura monostrato.

Prendendo una soluzione di nanosfere diluite e utilizzando una siringa di plastica, prelevare circa un millilitro di soluzione di nanosfera. Quindi fissare un filtro da cinque micron sull'estremità della siringa. Ciò contribuirà a rimuovere eventuali agglomeri che avranno un impatto negativo sulla qualità del film autoassemblato.

Tenere la siringa sopra lo spin coater più audace e premere lo stantuffo fino a quando non viene rilasciata una goccia di soluzione di nanosfera. Quindi, con un movimento fluido, erogare una quantità sufficiente di soluzione al centro del wafer fino a coprire circa 2/3 del wafer. Chiudere il coperchio e avviare la centrifuga.

Attendere il completamento della centrifuga, quindi rilasciare l'aspirapolvere, aprire il coperchio e rimuovere il wafer. Pulisci l'interno della centrifuga, assicurandoti di rimuovere la soluzione di nanosfera in eccesso. Prima di proseguire, è fondamentale valutare la qualità del film spun cast.

Innanzitutto, possiamo ispezionare a occhio, alla ricerca di eventuali difetti causati da bolle d'aria, polvere o agglomerani. Quindi possiamo utilizzare la microscopia ottica per valutare ulteriormente la qualità del film. Dopo aver acceso la sorgente luminosa e posizionato il campione sotto l'obiettivo, possiamo valutare chiaramente la qualità del film compresa la formazione di multistrati, difetti o fori.

In queste immagini, vediamo una pellicola di alta qualità, una pellicola contenente multistrati e una pellicola contenente fori. L'ultima tecnica per valutare la qualità del film consiste nell'utilizzare la microscopia elettronica a scansione. Questo ci permette di visualizzare il film su scala nanometrica.

Dopo aver valutato la qualità del film, dobbiamo ora ricuocere le nanosfere sul substrato. Mettere il substrato in forno a 107 gradi Celsius per circa due minuti. Togliere il substrato dal forno e lasciarlo raffreddare brevemente a temperatura ambiente.

Quindi, trasferire il substrato ricotto nel sistema al plasma per l'incisione. Impostare il sistema al plasma su 75 watt, 20 SCCM di ossigeno e 175 secondi di tempo di incisione. Inizia il flusso di ossigeno.

Attendere che la pressione si sia stabilizzata e avviare il plasma RF. Come mostrato, il plasma di ossigeno incide isotropicamente le nanosfere di polistirene, risultando in una serie periodica di sfere uniformemente distanziate. Dopo l'incisione, depositare uno strato intermedio 29 di oro utilizzando il rivestimento sputter

Le strutture anisotrope possono essere realizzate variando l'angolo di deposizione. Per questi campioni, l'oro è stato depositato normalmente al substrato. Qui a sinistra è mostrato un wafer da due pollici di nanosfere di polistirene fuso filato.

A destra c'è un'ostia dopo la deposizione dell'oro. Un microspettrofotometro viene utilizzato per misurare le proprietà ottiche dell'array di nanotazze d'oro sul substrato di silicone. Il picco di risonanza plasmonica si verifica a circa 650 nanometri.

La fase finale di questo protocollo consiste nel trasferire l'array di nanotazze d'oro su un film flessibile e conforme. Utilizziamo nastro adesivo trasparente e sensibile alla pressione per eseguire questa tecnica di sollevamento rapida e semplice. Prendendo una striscia di nastro adesivo, posizionarla con cura a contatto con il substrato rivestito d'oro.

Potrebbe essere necessario rimuovere delicatamente eventuali bolle d'aria che potrebbero essersi formate tra la superficie del wafer e il nastro. Una volta che il nastro ha stabilito un buon contatto con il substrato, staccarlo delicatamente. Una volta che il nastro è stato completamente rimosso, il risultato è un film flessibile e conforme di nanotazze disposte periodicamente.

Utilizzando questo metodo, i film nanoplasmonici sono stati fabbricati utilizzando la litografia colloidale, l'incisione plasmatica e la metallizzazione in cui le nanosfere di polistirene hanno funzionato come una maschera modello autoassemblante per la deposizione di nanotazze metalliche. I risultati del processo di fabbricazione sono stati verificati utilizzando la microscopia elettronica a scansione. Qui vediamo le micrografie del monostrato autoassemblato di nanosfere di polistirene, le nanosfere incise e le nanocoppe dopo la deposizione del metallo.

Le proprietà ottiche di questi film includono una buona trasmissione della luce fino a circa il 70% nello spettro visibile, pur mantenendo una risonanza plasmonica chiaramente identificabile. La litografia colloidale è una tecnica rapida e potenzialmente a basso costo per fabbricare film nanoplasmonici. Questa tecnica richiede solo attrezzature comunemente disponibili e i film nanoplasmonici possono essere preparati in poche ore.

Qui, abbiamo mostrato come utilizzare questa tecnica per realizzare film costituiti da schiere periodiche di nanocoppe d'oro con una risposta plasmonica nello spettro visibile. Una volta padroneggiata questa tecnica, sarai in grado di fabbricare un'ampia varietà di film nanoplasmonici con risposte ottiche sia nel visibile che nel vicino infrarosso.