Área base de sustrato nanofabricación de nanopartículas de oro personalizables y controlables Via Dewetting tapado

Resumen

Este protocolo detalla una técnica novedosa de nano-fabricación que puede utilizarse para hacer películas de nanopartículas controlable y adaptable sobre grandes áreas basadas en el autoensamblaje de dewetting de películas de metal tapadas.

Resumen

Recientes avances científicos en la utilización de nanopartículas metálicas para mayor eficiencia de conversión, dispositivo óptico mejorado rendimiento y almacenamiento de datos de alta densidad han demostrado el beneficio potencial de su uso industrial aplicaciones. Estas aplicaciones requieren un control preciso sobre el tamaño de nanopartículas, espaciamiento y a veces la forma. Estos requisitos han resultado en el uso del tiempo y costo pasos de tratamiento intensivo para producir nanopartículas, por lo que la transición a la aplicación industrial poco realista. Este protocolo se resolverá este problema proporcionando un método escalable y asequible para la producción de la gran superficie de nanopartículas películas con nanopartículas mejora control en comparación con las técnicas actuales. En este artículo, el proceso se demostrará con el oro, pero también pueden utilizarse otros metales.

Introducción

Fabricación de película de gran superficie nanopartículas es críticamente importante para la adopción de avances tecnológicos recientes en conversión de energía solar y almacenamiento de datos de alta densidad con el uso de nanopartículas plasmónica^{1,2, 3 , 4 , 5}. es interesante, las propiedades magnéticas de algunas de estas nanopartículas plasmónica, que proporcionan estas nanopartículas capaces de manipular y controlar la luz a escala nanométrica. Esta capacidad de control de la luz ofrece la posibilidad de atrapamiento de la luz de la luz incidente en la nanoescala de mejorar y aumentar la absortividad de la superficie. Basado en estas mismas propiedades y tener la capacidad para tener las nanopartículas ya sea un imán y un estado no-magnetizado, los científicos también están definiendo una nueva plataforma para el almacenamiento de datos digitales de alta densidad. En cada una de estas aplicaciones, es fundamental que un área grande y nanofabricación asequible técnica es desarrollada que permite el control de forma, espacio y tamaño de nanopartículas.

Las técnicas disponibles para producir nanopartículas se basan sobre todo en litografía a nanoescala, escalabilidad importante que cuestiones de costos. Han sido múltiples los diferentes estudios que han intentado abordar el problema de escalabilidad de estas técnicas, pero hasta la fecha, ningún proceso existe que proporciona el nivel de control necesario para la fabricación de nanopartículas y es costo y el tiempo lo suficientemente eficaz para adopción en aplicaciones industriales^{6,7,8,9,10,11}. Requieren algunos recientes esfuerzos de investigación mejoraron la controlabilidad de láser pulsado inducida dewetting (PLiD) y con plantillas estado sólido dewetting^12,13,14, pero todavía tienen importantes pasos de la litografía y por lo tanto el problema de escalabilidad.

En este manuscrito, presentamos el protocolo de un método de nanofabricación que abordará este problema de escalabilidad y el costo que ha plagado la adopción y uso de nanopartículas en aplicaciones industriales generalizadas. Este método permite el control sobre la producción de nanopartículas del tamaño y espaciado manipulando las energías superficiales que dictan el autoensamblaje de las nanopartículas que se forman. Aquí, demostramos que el uso de esta técnica utilizando una fina película de oro para producir nanopartículas de oro, pero recientemente hemos publicado una versión ligeramente distinta de este método utilizando una película de níquel y así esta técnica se puede utilizar con cualquier metal deseado. El objetivo de este método es producir películas de nanopartículas y reducir al mínimo el costo y la complejidad de los procesos y por lo tanto hemos modificado nuestro enfoque anterior, que utiliza deposición de capa atómica y la irradiación del laser de nanosegundos en un sistema de Ni-alúmina y se sustituye ellas con deposición física de vapor y un plato caliente. El resultado de nuestro trabajo en un sistema Ni alúmina también demostraron un nivel aceptable de control sobre la morfología de la superficie después del dewetting¹⁵.

Protocolo

Nota: La fabricación de gran superficie de nanopartículas de oro controlable y adaptable películas se logra siguiendo el protocolo detallado. El protocolo sigue tres grandes áreas que son la preparación del sustrato (1), (2) dewetting y grabado y (3) caracterización.

1. preparación del sustrato

1. Limpie el sustrato (100 nm SiO₂ en Si), usar un enjuague de acetona seguido de un enjuague de alcohol isopropílico y séquelo utilizando una secuencia de N₂ .
2. Cargue el sustrato en el sistema de evaporador térmico y evacuar para alcanzar la presión deseada para la deposición del metal. Asegúrese de que la cámara se evacua a una presión del orden de 10^-6 Torr para la eliminación de aire y vapor de agua en la cámara.
3. Usando el evaporador térmico, depósito de la película de oro en el espesor deseado (5 nm en este caso). El material de fuente de oro se obtuvo en forma de alambre de diámetro de 0,5 mm de oro (99.99% puro). Tenga en cuenta que el control de espesores para todas las fases de deposición se realiza en la calibración de la máquina, teniendo en cuenta todos los parámetros importantes y posterior medición del espesor. En ambas etapas de deposición, la presión de argón es un par de millitorrs (1-5 mTorr), y la gama se da como diferentes presiones se eligen para calibrar la velocidad de deposición.
4. Ventilar y eliminar el substrato con la película metálica depositada en el sistema de evaporador térmico. El protocolo puede hacer una pausa aquí.
5. Cargue el sustrato con película metálica depositada en el sistema de corriente continua (CC) magnetrón farfulle la deposición y evacuar para alcanzar la presión deseada para la deposición de la película que capsula (Tabla de materiales).
   1. Para ubicar la muestra en la máquina, coloca la muestra en la carga de la cerradura y el dispositivo transfiere la muestra a la cámara de deposición principal asegurar un nivel de vacío suficiente. Tenga en cuenta que la deposición de la nivelación de alúmina capa lugar de cuentos en el siguiente paso y este paso es explicar el proceso de colocar la muestra en el aparato y cómo se transfiere la muestra a la cámara del depósito principal.
6. Depósito de la capa de tapado del material deseado y grueso. Tenga en cuenta que la deposición de la alúmina sigue un procedimiento similar y condiciones de la deposición de la capa de oro, alúmina de espesor variable en este caso. El material de fuente de alúmina se obtuvo en forma de un diámetro de 50,8 mm, 6,35 mm espesor Farfullar objetivo de óxido de aluminio (99.5% de pureza).
7. Ventilar la cámara de deposición DC magnetrón sputter y retire la muestra preparada. (Tabla de materiales). El protocolo puede hacer una pausa aquí.

2. dewetting y aguafuerte

1. Colocar la muestra preparada en un plato caliente precalentado. Para la película de oro nm 5 con alúmina, calentar la muestra a 300 ° C y la muestra a dewet durante 1 hora. El protocolo puede hacer una pausa aquí.
2. Grabe la alúmina mientras dejando el oro y subyacentes de SiO₂/Si substrato con un 3:1:1 = H₂O:NH₄OH:H₂O₂ (en % de peso) debe tomarse la solución a 80 ° C por 1 h. Nota que el proceso se realiza en una campana y todas las precauciones para tratar con material peligroso corrosivo y ambiental. El protocolo puede hacer una pausa aquí.

3. Caracterización

1. Preparar la muestra para ser vacío compatible mediante enjuague con acetona y alcohol isopropílico, seguido por secado con N₂.
2. Las películas de nanopartículas mediante microscopía electrónica (SEM) de la imagen en alto vacío y a alta magnificación (50, 000 X aumento en este caso para resolver las nanopartículas de tamaño mínimas). El protocolo puede hacer una pausa aquí.
3. Realizar análisis de imagen para obtener información del tamaño de nanopartículas y de distribuciones de espacio. El análisis de imagen se realiza utilizando un código basado en MATLAB que umbrales realiza la imagen en escala de grises, reducción de ruido y partículas de relleno rutinas¹⁵.

Resultados

El protocolo descrito aquí ha sido utilizado para varios metales y ha demostrado la capacidad para producir nanopartículas sobre un sustrato en gran superficie, con tamaño controlable y espaciado. La figura 1 muestra el protocolo con resultados representativos mostrando la capacidad de controlar el tamaño de nanopartículas fabricadas y espaciado. Al seguir este protocolo, el resultado, que es la película de nanopartículas fabricadas con tamaño y distr...

Discusión

El protocolo es un proceso fácil y factible para un proceso de nano-fabricación para la producción de nanopartículas en un substrato en grandes zonas con características controlables. El fenómeno dewetting, que conduce a la producción de partículas, se basa en la tendencia de la capa de dewetted para lograr la mínima energía superficial. El control sobre el tamaño y la forma de las partículas está orientado con la deposición de una segunda superficie de la capa principal para sintonizar las energías superf...

Materiales

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