Fabrication de tableaux de Nanocup or périodique à l’aide de lithographie colloïdale

Résumé

Nous montrer la fabrication de tableaux périodiques nanocup or en utilisant des techniques lithographiques colloïdales et discuter de l’importance des films nanoplasmonic.

Résumé

Au sein de ces dernières années, le domaine de la plasmonique a explosé que les chercheurs ont démontré passionnantes applications liées au chimiques et optiques de détection en combinaison avec les nouvelles techniques de nanofabrication. Un plasmon est un quantum d’oscillation de densité de charge qui donne l’échelle nanométrique métaux comme l’or et l’argentée des propriétés optiques uniques. En particulier, les nanoparticules d’or et d’argent pièce oscillations de densité de charge de résonances-collectif plasmon de surface localisées sur la surface de la NANOPARTICULE-dans le spectre visible. Ici, nous nous concentrons sur la fabrication de tableaux périodiques de nanostructures plasmoniques anisotrope. Ces structures écoquillés (ou nanocup) peuvent exposer un supplémentaire unique lumière-flexion et dépendant de la polarisation des propriétés optiques qui nanostructures isotrope simple ne peut pas. Les chercheurs sont intéressés par la fabrication de tableaux périodiques de nanocups pour une grande variété d’applications telles que des appareils optiques peu coûteux, Raman exaltée de surface de diffusion et de sabotage indication. Nous présentons une technique évolutive basée sur une lithographie colloïdale dans laquelle il est possible de fabriquer facilement des grands tableaux périodiques de nanocups à l’aide d’enduction centrifuge et self-assembled nanosphères de polymères commercialement disponible. Microscopie et spectroscopie optique du visible au proche infrarouge (proche infrarouge) a été effectuée pour confirmer le succès nanocup fabrication. Nous concluons avec une démonstration du transfert de nanocups d’un film adhésif flexible et conforme.

Introduction

L’émergence de la plasmonique parallèlement à l’amélioration de nanofabrication et de techniques de synthèse ont abouti à une grande variété de technologies passionnantes telles que subsidiaire diffraction limitée circuity améliorées de détection chimique et^{de télédétection optique 1 ,2,3}. Dans ce protocole, nous démontrons une technique évolutive et relativement peu coûteuse capable de fabriquer des substrats plasmoniques nanopatterned à l’aide des nanosphères de polymères commercialement disponibles et une étape de gravure suivi par dépôt métallique. Contrairement aux autres techniques de fabrication nanopatterned substrats, tels que les électrons de lithographie par faisceau⁴, cette technique peut rapidement et efficacement être dimensionnée à plaquettes de 300 mm et au-delà avec un minimum d’effort et utilise un transfert étape pour produire flexible et projection de films⁵.

Depuis l’époque romaine, nous savons que certains métaux comme l’or et l’argent peut avoir des propriétés optiques brillantes lorsqu’ils sont finement divisés. Aujourd'hui, nous comprenons que ces particules métalliques présentent un effet appelé la « résonance plasmonique de surface localisés » (LSPR) lorsque leurs dimensions s’approchent de l’échelle nanométrique. LSPR est analogue à une onde stationnaire dans lequel les électrons faiblement liés trouvés dans le métal oscillent cohérente lors de certaines fréquences s’illumine les particules métalliques. Nanostructures anisotropes sont particulièrement intéressants car les résonances optiques uniques peuvent émerger à la suite de symétrie^6,7,8.

L’éclairage des structures écoquillés (nanocup) avec la lumière peut exciter dipôle électrique ou les modes de plasmon dipôle magnétique, selon des facteurs tels que l’angle de la déposition du métal, l’orientation du substrat en ce qui concerne la lumière incidente et le polarisation de la lumière incidente⁹. Nanocups ont souvent été considérée comme analogues à trois dimensions cercle résonateurs, dans laquelle la fréquence de résonance peut comme un oscillateur LC^10,11. La fréquence de résonance pour la taille des nanosphères polymère utilisé ici (170 nm), la quantité d’or déposé (20 nm), et les taux d’etch produisent des fréquences de résonance s’étendant sur le visible et proche IR

Les propriétés optiques de la nanocups d’or peuvent être mesurées en transmission ou en réflexion, selon le substrat utilisé pour l’enduction centrifuge. Dans le protocole présenté, nous avons choisi d’utiliser des plaquettes de silicium de 2 po comme substrat et effectuer des mesures de réflectance après dépôt métallique. Les mesures ont été effectuées à l’aide d’un microscope couplé à un spectromètre dispersif avec une source lumineuse halogène. Nous avons également eu le succès avec l’aide de substrats de verre, ce qui permet pour les mesures de transmission et de réflexion qui suit immédiatement le dépôt métallique. En outre, cette technique peut facilement évoluer et n’est pas limitée à plaquettes de 2 po. En raison de la disponibilité commerciale des nanosphères de polymère monodispersé de haute qualité, il est simple de régler les propriétés optiques de ces structures en commençant simplement par nanosphères de différente taille.

Dans ce protocole, une technique pour fabriquer anisotrope or écoquillés (ou nanocup), les nanostructures à l’aide d’une méthode appelée Lithographie colloïdale est démontrée. Lithographie colloïdale utilise auto-assemblage de hautement monodisperses nanosphere polymérique pour modèle rapidement un substrat qui peut être transformé en un substrat plasmonique après pulvérisation enduit d’une fine couche d’or. De même, il est possible de régler l’anisotropie du substrat en inclinant le substrat de l’échantillon au cours de l’evaporateur. Les structures qui en résultent sont sensibles à la polarisation à cause de l’anisotropie de la nanostructure formée. Ici, nous démontrons un particulier affaire et effectuer la caractérisation optique et décollage pour les structures de transfert d’un film transparent et flexible.

Protocole

1. préparation de matériel

1. placer plusieurs plaquettes de silicium de 2 po dans un support de quartz pour le nettoyage et charger les wafers de silicium dans le plasma, système de gravure. La pompe de la chambre à vide vers le bas jusqu'à ce qu’elle atteigne au moins 75 mTorr. Cela peut prendre quelques minutes.
2. Commencer le débit de gaz ₂ (30 sccm) O et la pression se stabilise. Régler l’heure d’etch à 15 min. Une fois la pression stabilisée initier plasma radiofréquence (RF) 13,56 MHz 250 W.
   Remarque : Cette étape nettoie les plaquettes de silicium de tout organique contamine et functionalizes la surface avec hydroxylés (-OH) fractions assurant ainsi une surface hydrophile.
3. Alors que l’attente pour le nettoyage de plasma étape pour finir, enlevez le nanosphères achetés dans le commerce de polystyrène (170 nm de diamètre, 10 % de solides, dodécylsulfate de sodium 0,5 %) du réfrigérateur (4 ° C). Laissez le récipient se réchauffer à température ambiante.
4. Brièvement vortex (1 min) et laisser agir (35 kHz, 1 min), le polystyrène nanosphères pour minimiser l’agglomération nanosphere.
5. Dans un flacon de verre propre, 1,0 ml des nanosphères polystyrène de 170 nm et ajouter 1,0 mL d’H ₂ O pour obtenir une suspension colloïdale de 5 % d’extrait sec.
6. Après 15 min, arrêter le flux d’O ₂, aérer la chambre à vide et retirer les gaufres fraîchement nettoyés.

2. Enduction centrifuge de polystyrène nanosphères modèle

1. gaufrettes de décharger le silicium purifié de l’aquafortiste plasma. Puis monter une plaquette de 2 po sur le spin-coater. Faire en sorte qu’il soit bien centré et que le joint torique est exempt de débris. Initier le vide et faire en sorte que la plaquette est fixée solidement à la scène.
2. Définir les paramètres de spin de l’essorage-coater. Ces paramètres varient selon la taille de nanosphere. Pour une solution de 5 % 170 nm nanosphères, la valeur du spin coater-un processus de le 1 étape avec un temps de rotation de 1 min, une vitesse de 3 000 tr/min et une accélération de 2 000 tr/min/s.
3. à l’aide d’une seringue jetable, retirer ~ 1 mL de suspension colloïdale dans le flacon. Mettre de côté le flacon. Prenez une filtre de seringue 5 µm et placez-le à l’extrémité de la seringue. Appuyer sur la seringue jusqu'à ce qu’une goutte de suspension efface la pointe. Le filtre élimine les agrégats indésirables et particules qui peut réduire considérablement le film qualité.
4. Dépôt assez suspension directement sur le centre de la plaquette telle qu’environ 2/3 de la surface est couverte. Essayez de réduire au minimum les bulles car ceux qui peuvent avoir un impact qualité du film. Fermez le couvercle d’essorage-coater et appuyez sur Start. Au cours de ce processus, il peut être possible de voir les effets d’interférence de film mince sur la surface de la plaquette comme les nanosphères s’auto-assembler. Cela variera selon le diamètre de nanosphere.
5. Enlever la plaquette spin-enduit après désactivation du vide. Essuyer le bol et le couvercle de la spin-coater pour enlever l’excès nanosphères.

3. Évaluation de la qualité et la préparation pour la gravure du film

1. évaluer visuellement la qualité du film auto-assemblés en recherchant des défauts visibles tels que des stries ou des trous qui peuvent avoir été causés par les particules au cours du processus de l’enduction centrifuge.
2. Évaluation de la qualité de film en plaçant la gaufrette au microscope optique. Joints de grain et quelques défauts sont normaux. Si la plaquette a grandes surfaces non revêtus ou multicouches évidentes, il est nécessaire d’ajuster les paramètres de rotation pour obtenir un film plus uniform. Microscopie électronique peut également être utilisée pour évaluer la qualité du film.
3. Allumez la source de lumière au microscope et mise au point sur la surface de la plaquette de silicium à l’aide d’un objectif 20 X. Évaluation de la qualité à plusieurs endroits dans l’ensemble de la plaquette pour assurer l’uniformité.
4. La qualité finale du film vérifier consiste à utiliser la microscopie électronique à balayage (SEM) pour visualiser la nanosphere auto-assemblage à l’échelle nanométrique. Il est possible d’évaluer le degré de multicouches, les trous et défauts/limites de grain à travers de petites portions de la gaufrette relativement rapidement en utilisant cette technique.
5. Une fois qu’un film suffisant a été obtenu, placer la plaquette dans un four (107 ° C) pendant 2 min de recuire le nanosphères auto-assemblés. Cela permet d’encourager l’adhésion au substrat et donne une meilleure surface de nanopatterned après l’attaque.

4. Eau-forte, dépôts de métaux et caractérisation optique

1. charger la plaquette recuite dans le graveur de plasma et d’amorcer le processus de pompage.
2. Une fois que la chambre à vide atteint au moins 75 mTorr, commencer le débit de gaz ₂ (20 sccm) O et attendre que la pression se stabilise. Initier le plasma RF (75 W) pour 165 s.
3. Une fois le cycle de plasma RF terminée, arrêter le flux d’O ₂ et aérer la chambre de.
4. Le substrat est maintenant dépôt métallique gravé et prêt à être. Transport de l’échantillon à une coucheuse par pulvérisation cathodique et déposez une fine (20 nm) couche d’or. Variant les angles de dépôts peut-être servir à modifier les propriétés optiques de la nanocups. Dans ce cas, metallisation incidence normale sur le substrat a été effectuée.
5. Après le dépôt métallique, le substrat peut être caractérisé en utilisant la spectroscopie optique. Concentrer le microspectrophotomètre sur la surface du substrat métallisé et mesurer les spectres de réflectance. Pour 170 nm gravé nanosphere tableaux, le LSPR était à 615 nm.
6. Using autocollant adhésif, placez délicatement le film en contact avec le substrat. Il peut être nécessaire d’enlever les bulles d’air forment à l’interface à l’aide d’une pince à épiler.
7. Une fois que le ruban est en contact avec le substrat, la bande peut être immédiatement épluchée au loin pour enlever le nanocups de la surface du substrat. Peel en arrière doucement le ruban et le résultat est un film souple et conforme d’or nanocups.

Résultats

Or nanocups ont été préparés à l’aide de 170 nm de diamètre nanosphères polystyrène. Après recuit pendant 2 min à 107 ° C et la gravure avec un 75 W, 20 sccm O₂ plasma 165 s, le film qui en résulte a été caractérisée à l’aide de SEM (Figure 1). Pour évaluer la qualité du film spin-coulé, optique microscope-en plus de l’inspection visuel-mai être utilisés (Figure 2). Des films de qualité dev...

Discussion

Ce protocole montre une technique efficace et peu coûteuse pour la fabrication de tableaux périodiques de plasmoniques nanocups or. Cette technique est particulièrement intéressante car elle évite la série descendante processus tels que la lithographie par faisceau d’électrons ou faisceau ionique focalisé de fraisage. La technique présentée indique que peut être self-assembled nanosphères de polymères commercialement disponibles d’une manière simple de servir comme un modèle de taille nanométrique pou...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Polystyrene microspheres	Bangs Laboratories, Inc.	PS02N	170 nm – 580 nm diameter
Silicon wafers	El-CAT, Inc.	3489	300 mm thick, one side polished [100]
Adhesive tape	3M	Scotch 600
Spin coater	Laurell	WS-650-23B
Plasma etcher	Nordson March	AP-600
Microspectrophotometer	CRAIC	380-PV
Sonicator	VWR	97043-932
Scintillation vials	Wheaton	986734
5 um syringe filter	Millex	SLSV025LS
Oxygen gas	Oxarc	PO249	Industrial Grade 99.5% purity
Vaccum pump	Kurt J. Lesker	Edwards 28
Disposable syringes	Air Tite Products Co.	14-817-25	1 mL capacity
Water	Sigma-Aldrich	W4502