Grande Area nanofabbricazione di substrato a base di nanoparticelle di oro controllabile e personalizzabile tramite ridotta bagnabilità

Riepilogo

Questo protocollo dettaglia una tecnica novella di nano-fabbricazione che può essere utilizzata per fare film di nanoparticelle controllabile e personalizzabile su grandi superfici, basati sull'auto-assemblaggio di bagnabilità di film metallici ricoperti.

Abstract

Recenti progressi scientifici nell'utilizzazione di nanoparticelle metalliche per miglioramento dell'efficienza di conversione, le prestazioni del dispositivo ottico migliorato e memorizzazione dei dati ad alta densità hanno dimostrato il beneficio potenziale del loro utilizzo in campo industriale applicazioni. Queste applicazioni richiedono un controllo preciso sulla dimensione delle nanoparticelle, spaziatura e a volte forma. Questi requisiti hanno portato all'utilizzo di tempo e costo passaggi di elaborazione intensiva per produrre nanoparticelle, rendendo così la transizione all'applicazione industriale irrealistico. Questo protocollo si risolverà questo problema fornendo un metodo scalabile e accessibile per la produzione di grandi superfici di nanoparticella film migliorata nanoparticella controllo rispetto alle attuali tecniche. In questo articolo, il processo sarà dimostrato con l'oro, ma possono essere utilizzati anche altri metalli.

Introduzione

Fabbricazione di film di ampia superficie delle nanoparticelle è criticamente importante per l'adozione dei recenti progressi tecnologici nella conversione dell'energia solare e memorizzazione dei dati ad alta densità con l'uso di nanoparticelle plasmoniche^{1,2, 3 , 4 , 5}. è interessante, le proprietà magnetiche di alcune di queste nanoparticelle plasmoniche, che forniscono queste nanoparticelle con la capacità di manipolare e controllare la luce su nanoscala. La controllabilità di luce fornisce la possibilità di aumentare l'assorbimento della superficie e luce allettamento della luce incidente su nanoscala. Basato su queste stesse proprietà e avendo la possibilità di avere le nanoparticelle in entrambi un magnetizzato e uno stato non magnetizzato, gli scienziati stanno anche definendo una nuova piattaforma per l'archiviazione di dati digitali ad alta densità. In ognuna di queste applicazioni, è fondamentale che una vasta area e nanofabbricazione conveniente tecnica è sviluppata che permette il controllo delle dimensioni delle nanoparticelle, la spaziatura e la forma.

Le tecniche disponibili per produrre nanoparticelle si basano principalmente su nanoscala Litografia, che hanno notevole scalabilità e costi problemi. Ci sono stati più diversi studi che hanno tentato di affrontare il problema di scalabilità di queste tecniche, ma fino ad oggi, nessun processo esiste che fornisce il livello di controllo necessario per la fabbricazione delle nanoparticelle ed è abbastanza efficace per tempi e costi adozione in applicazioni industriali^{6,7,8,9,10,11}. Necessari alcuni recenti sforzi di ricerca migliorato la controllabilità del laser pulsato indotto bagnabilità (PLiD) e basati su modelli a stato solido dewetting^12,13,14, ma hanno ancora significativi passaggi di litografia e così il problema di scalabilità.

In questo manoscritto, vi presentiamo il protocollo di un metodo di nanofabbricazione che affronterà il problema di scalabilità e costi che ha afflitto l'adozione e l'uso delle pellicole di nanoparticelle in applicazioni industriali molto diffuse. Questo metodo di lavorazione permette il controllo sulla dimensione delle nanoparticelle prodotte e spaziatura manipolando le energie superficiali che dettano l'auto-assemblaggio delle nanoparticelle formate. Qui, dimostriamo che l'uso di questa tecnica utilizzando un sottile strato di oro per produrre nanoparticelle d'oro, ma recentemente abbiamo pubblicato una versione leggermente diversa di questo metodo utilizzando una pellicola di nichel e così questa tecnica può essere utilizzata con qualsiasi metallo desiderato. L'obiettivo di questo metodo è quello di produrre film di nanoparticelle, riducendo al minimo i costi e la complessità del processo e così abbiamo modificato il nostro approccio precedente, che ha usato la deposizione di strati atomici e irradiazione laser nanosecondo su un sistema Ni-allumina e sostituito li con deposizione fisica da vapore e un piatto caldo. Il risultato del nostro lavoro su un sistema Ni-allumina inoltre ha mostrato un livello accettabile di controllo sulla morfologia della superficie dopo il dewetting¹⁵.

Protocollo

Nota: La fabbricazione di grandi superfici di film controllabile e personalizzabile di nanoparticelle d'oro si ottiene seguendo il protocollo dettagliato. Il protocollo segue tre aree principali che sono la preparazione del substrato (1), (2) bagnabilità e acquaforte e (3) caratterizzazione.

1. preparazione del substrato

1. Pulire il substrato (100 nm SiO₂ su Si) utilizzando un risciacquo di acetone seguito da un risciacquo di alcool isopropilico e poi asciugare con un flusso di N₂ gas.
2. Caricare il substrato nel sistema evaporatore termale ed evacuare per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione di film metallici. Assicurarsi che la camera viene evacuata ad una pressione dell'ordine di 10^-6 Torr per la rimozione di aria e vapore acqueo in aula.
3. Utilizzando l'evaporatore termale, depositare il film oro presso lo spessore desiderato (5 nm in questo caso). Il materiale di oro è stato ottenuto sotto forma di filo di diametro di 0,5 mm d'oro (puro al 99,99%). Si noti che il controllo di spessore per tutte le fasi di deposizione viene eseguito dalla taratura della macchina, considerando tutti i parametri fondamentali e post misurazione dello spessore. In due fasi di deposizione, la pressione dell'argon è un paio di millitorrs (1-5 mTorr) e l'intervallo è dato come pressioni differenti sono stati scelti per calibrare per la velocità di deposizione.
4. Sfogo e rimuovere il substrato con la pellicola di metallo depositato dal sistema termico evaporatore. Il protocollo può essere messo in pausa qui.
5. Caricare il substrato con la pellicola di metallo depositato nel sistema di deposizione di corrente continua (DC) magnetron sputtering ed evacuare per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione del film tappatura (Tabella materiali).
   1. Per individuare il campione nella macchina, mettere il campione nel carico serratura e dispositivo trasferisce il campione alla camera di deposizione principale per garantire un sufficiente livello di vuoto. Si noti che la deposizione di tappatura di allumina strato tales posto nel passaggio successivo e questo passaggio sta spiegando il processo di inserimento del campione in apparato e come il campione prelevato viene trasferito alla camera principale deposizione.
6. Depositare lo strato di tappatura del materiale desiderato e spessore. Si noti che la deposizione dell'allumina segue una procedura simile e la condizione della deposizione strato d'oro, allumina di spessore variabile in questo caso. Il materiale di origine di allumina è stato ottenuto sotto forma di un diametro di 50,8 mm, 6,35 mm spessore polverizza obiettivo di ossido di alluminio (99,5% puro).
7. Sfiato della DC magnetron sputtering camera di deposizione e rimuovere il campione preparato. (Tabella dei materiali). Il protocollo può essere messo in pausa qui.

2. bagnabilità e acquaforte

1. Posto il campione preparato su una piastra calda pre-riscaldata. Per il film di 5 nm oro ricoperta con allumina, riscaldare il campione a 300 ° C e lasciare il campione sasi per 1 h. Il protocollo può essere messo in pausa qui.
2. Etch l'allumina lasciando l'oro e il sottostante substrato di SiO₂/Si con 3:1:1 = H₂O:NH₄OH:H₂O₂ (in % wt) soluzione a 80 ° C per 1 h. nota che il processo viene eseguito in un cappuccio e tutte le precauzioni per trattare con materiale pericoloso corrosivo e ambientale dovrebbe essere presa. Il protocollo può essere messo in pausa qui.

3. caratterizzazione

1. Preparare il campione per essere vuoto compatibile risciacquando con acetone e alcool isopropilico seguita da asciugatura con N₂.
2. I film di nanoparticelle mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) di immagini sotto alto vuoto e ad alto ingrandimento (50, 000 X ingrandimento in questo caso per risolvere le nanoparticelle di dimensioni minime). Il protocollo può essere messo in pausa qui.
3. Eseguire l'analisi di immagine per ottenere informazioni di dimensioni delle nanoparticelle e distribuzioni di spaziatura. L'analisi di immagine viene eseguita utilizzando un codice basato su MATLAB che soglie l'immagine in scala di grigi, esegue la riduzione del rumore e delle particelle routine¹⁵di riempimento.

Risultati

Il protocollo descritto qui è stato utilizzato per i metalli più e ha dimostrato la capacità di produrre nanoparticelle su un substrato su vasta area, con dimensione controllabile e spaziatura. La figura 1 Mostra il protocollo con risultati rappresentativi, mostrando la capacità di controllare la dimensione di nanoparticelle fabbricato e spaziatura. Quando in seguito questo protocollo, il risultato, che è il film di nanoparticelle fabbricato con dimensio...

Discussione

Il protocollo è un processo semplice e fattibile per un processo di nano-fabbricazione per la produzione di nanoparticelle su un substrato su vaste aree con caratteristiche controllabile. Il fenomeno dewetting, che conduce alla produzione di particelle, si basa sulla tendenza dello strato dewetted per raggiungere la minima energia di superficie. Il controllo sopra le dimensioni e la forma delle particelle è mirato con la deposizione di una seconda superficie sul livello principale per ottimizzare le energie superficial...

Materiali

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