3D로 연결이 끊긴 실버 Nanostructures를 조작하는 방법

요약

Femtosecond 레이저 직접 작성이 자주 폴리머와 잔에 세 차원 (3D) 패턴을 생성하는 데 사용됩니다. 그러나, 3D로 패턴의 금속 도전 남아 있습니다. 우리는 800 nm의 중심 femtosecond 레이저를 사용하여 고분자 매트릭스 내부에 내장은 nanostructures를 제​​조하는 방법에 대해 설명합니다.

초록

표준 nanofabrication 툴킷은 주로 유전체 미디어에서 2D 패턴을 생성하기위한 기술이 포함되어 있습니다. submicron의 규모 금속 패턴을 만들기 nanofabrication 도구와 여러 가지 재료 가공 단계의 조합이 필요합니다. 예를 들어, 자외선 석판 술과 전자 - 빔 리소그래피를 사용하여 평면 금속 구조는 샘플 노출, 샘플 개발, 금속 증착, 금속의 발사를 포함 할 수 있습니다 생성 단계를 반복합니다. 3D 금속 구조를 만들려면 순서가 여러 번 반복됩니다. 여러 레이어를 스태킹 및 정렬의 복잡성과 어려움 표준 nanofabrication 도구를 사용하여 3D 금속 구조의 실제 구현을 제한합니다. Femtosecond 레이저 직접 쓰기는 3D nanofabrication에 대한 사전 저명한 기술로 떠오르고있다. ^1,2 Femtosecond 레이저가 자주 폴리머와 안경에서 3D 패턴을 만드는 데 사용됩니다. ^3-7 단, 3D 금속이 직접 작성은 도전 남아 있습니다. 여기, 우리는800 nm의 중심 femtosecond 레이저를 사용하여 고분자 매트릭스 내부에 내장은 nanostructures를 조작하는 방법을 설명합니다. 방법은 연결이 끊어 실버 voxels의 3D 배열과 같은 다른 기술을 사용하여 적합하지 않을 패턴 제조 할 수 있습니다. ⁸ 연결이 끊어 3D 금속 패턴은 결합 금속 점 ^{최대 10} 단위 세포가 서로 접촉하지 metamaterials, ^{9 유용합니다, 11} 결합 금속 막대 ^12,13 resonators. 잠재적 인 응용 프로그램은 부정적인 색인 metamaterials, 투명 망토, 완벽한 렌즈가 포함되어 있습니다.

femtosecond 레이저 직접 서면으로, 레이저 파장이 등 그 광자가 선형 대상 매체에 흡수되지 않는 선택됩니다. 레이저 펄스 기간이 femtosecond 시간 규모로 압축되고 방사선이 꽉 대상 내부에 초점을 맞춘 경우, 매우 높은 강도가 비선형 흡수를 유도한다. 여러 개의 광자가 동시에 흡수 아르집중 지역 내 소재 변경 될 전자 전이를 일으킬 수있는 통증. 이 방법 사용, 하나는 재료의 대량보다는 표면 구조를 형성 할 수있다.

3D 직접 금속 작성에 대한 대부분의 작업은 자체 지원 금속 구조를 만드는 데 주력했습니다. ^14-16 방법은 여기 사람들은 매트릭스 내부에 내장되어 있기 때문에 자체의 지원을 받고있을 필요가 없습니다 서브 마이크로 미터 은색 구조를 산출 설명했다. 도핑 된 폴리머 매트릭스는 실버 질산염의 혼합물 (AgNO _3), polyvinylpyrrolidone (PVP)와 물 (H ₂ O)를 사용하여 준비가되어 있습니다. 샘플 그런 다음 50 FS 펄스를 생산 11 MHz의 femtosecond 레이저로 조사하여 패턴입니다. 조사 기간은 이온의 photoreduction은 초점 지역의 실버 나노 입자의 누계를 생성, 비선형 흡수를 통해 유도된다. 이 방법 사용 우리는 도핑 PVP​​ 매트릭스에 포함 된 실버 패턴을 만들 수 있습니다. S의 3D 번역을 추가충분한는 세 차원으로 패턴을 확장합니다.

프로토콜

1. 금속 이온 도핑 된 폴리머 필름 준비

1. 비커의 물을 8 ML을 측정합니다.
2. 물 PVP의 206 밀리그램을 추가합니다. 솔루션이 명확 할 때까지 자기 교반기 또는 와류 믹서를 사용하여 섞는다.
3. 솔루션에 AgNO _3의 210 밀리그램을 추가합니다. 솔루션 명확 할 때까지 자기 교반기 또는 와류 믹서를 사용하여 섞는다.
4. 드롭 캐스팅을 통해 솔루션 코트 유리 슬라이드.
5. 100 ° C.에서 오븐 세트의 장소 유리 슬라이드 30 분에 샘플을 구워.
6. 오븐에서 샘플을 제거하고 30 분에 쿨하게.

2. 연결이 끊긴 실버 구조물의 제작

1. 진동 절연체와 광학 테이블에 그림 1에 도시 된 설정을 맞 춥니 다.
2. 현미경 대물 후 50 fsec 펄스를 얻기 위해 압축기를 조정합니다.
3. 목표 한 후 3 뉴저지 펄스를 얻기 위해 중립적 인 밀도 필터를 조정합니다.
4. 레이저 스폿 사이즈 확인은 현미경 대물의 다시 공보다 큽니다.
5. 샘플이 방사선되는 동안 10 μsec 노출 창을 생산하기 위해 음향 광학 변조기를 설정합니다.
6. 는 3 축 번역 무대로 현미경과 장소 샘플에 도달 블록 레이저 빔 전에. femtosecond 레이저 펄스의 빔 경로는 영상 현미경 대물 통해 샘플에 통과해야합니다.
7. CCD 카메라를 사용하여 원위치에서 샘플을 관찰 할 현미경 조명 소스를 켭니다.
8. 유리 기판과 폴리머 필름 사이의 인터페이스를 찾을 수 단계의 Z 축를 번역 할 수 있습니다. 그런 다음 패터닝 가장 아래 층에 대한 고분자 내부에 원하는 깊이 현미경 촛점을 다시 맞춰. 패턴 중 Z-번역이 가공 구조와 산란을 피하기 위해 거리에 유리 폴리머 인터페이스에서 방향에 있어야합니다.
9. 100 μm / 초의 속도로 방향 - y를 - -와 z 레이저 빔 설정하고 모션 컨트롤러 소프트웨어 X에서 샘플을 번역 차단을 해제하십시오. 10 μsec에 대한 하나의 voxels을 비추다명확 인 시츄 이미지에 적어도 몇 마이크로 미터의 차 별도의 이웃 voxels. 25 Hz에서에 음향 광학 변조기의 반복 속도를 설정하면 4 μm 간격을 생산합니다. 레이저 노출 영역은 구조를 포함합니다.

결과

음향 광학 변조기하고 중립적 인 밀도 필터 (그림 1)은 하나의 샘플에 입금 에너지의 양을 제어 할 수 있습니다. 무대가 100 μm / 초에서 번역과 voxel 및 펄스 당 3 NJ 당 110 펄스의 노출을 사용하여 결과 은색 구조 인 시츄 광학 현미경을 통해 쉽게 볼 수 있습니다. 낮은 레이저 노출 수준 (펄스 에너지 및 / 또는 펄스 수를 줄여) 작은 실버 기능에 납,. 우리는 300 나노 미터처럼 작은 ?...

토론

이 과정의 핵심은 고해상도 제조 할 수있는 약물을 복용 한 유전체 매트릭스를 획득되어 있지만, 준비 직후 저하되지 않습니다. PVP, AgNO ₃ H ₂ O의 간단한 혼합물은 지원 매트릭스 내부에 포함 된 고해상도 실버 nanostructures의 생성을 할 수 있습니다. AgNO ₃ 비율로 PVP를 변화하는 것은 제조에 필요한 레이저 에너지를 변경하고 기능 해상도 잠재적으로 다른 속성을 것입니다. 낮...