Um método para fabricar nanoestruturas de prata desconectados em 3D

Resumo

Laser femtosegundo escrita direta é freqüentemente usado para criar tridimensionais (3D) em polímeros padrões e óculos. No entanto, os metais de padronização em 3D continua a ser um desafio. Descreve-se um método para a fabricação de nanoestruturas de prata embutido no interior de uma matriz de polímero usando um laser de femtosegundos centrado em 800 nm.

Resumo

O kit de ferramentas inclui técnicas de nanofabricação padrão principalmente destinadas a criar padrões 2D em meios dielétricos. Criando padrões de metal em uma escala submicron requer uma combinação de ferramentas nanofabricação e vários passos de processamento do material. Por exemplo, os passos para criar estruturas metálicas planas usando fotolitografia ultravioleta e litografia por feixe de elétrons podem incluir a exposição da amostra, desenvolvimento da amostra, a deposição de metal e decolagem metal. Para criar estruturas metálicas em 3D, a sequência é repetida várias vezes. A complexidade e dificuldade de empilhamento e alinhamento de camadas múltiplas limita implementações práticas de estruturação de metal 3D usando ferramentas de nanofabricação padrão. Laser femtosegundo escrita direta surgiu como uma técnica de pré-eminente de nanofabricação 3D. ^1,2 lasers de femtossegundos são freqüentemente usados ​​para criar padrões 3D em polímeros e vidros. ^3-7 No entanto, metal 3D direto escrever permanece um desafio. Aqui, nósdescrevem um método para o fabrico de nanoestruturas de prata embutido no interior de uma matriz de polímero usando um laser de femtosegundos centrado em 800 nm. O método permite a fabricação de padrões não viáveis ​​utilizando outras técnicas, tais como matrizes 3D de voxels prata desconectadas. ⁸ desconectados padrões de metal 3D são úteis para células unitárias metamateriais onde não estão em contacto uns com os outros, tais como o metal ⁹ acoplado ponto ^{10, 11} ou acoplado haste de metal ^12,13 ressoadores. As aplicações potenciais incluem metamateriais índice negativo, capas de invisibilidade, e lentes perfeitas.

Em femtosegundo laser de escrita directa, o comprimento de onda do laser é escolhido de tal modo que não são linearmente fotões absorvidos no meio-alvo. Quando a duração do pulso de laser é comprimida para a escala de tempo de femtossegundos e a radiação é fortemente centrado no interior do alvo, a intensidade extremamente elevado induz a absorção não-linear. Fotões são absorvidos vários simultânealy para causar transições electrónicas que levam a alterações significativas na região focada. Utilizando esta abordagem, pode-se formar estruturas na massa de um material, em vez de na sua superfície.

A maioria dos trabalhos sobre a escrita de metal 3D direto tem focado na criação de estruturas de auto-suporte de metal. ^14-16 O método descrito aqui produz estruturas sub-micrométricas de prata que não precisam de ser auto-suportadas porque estão embutidos dentro de uma matriz. Um polímero dopado matriz é preparado utilizando uma mistura de nitrato de prata _(AgNO3), polivinilpirrolidona (PVP) e de água _(H2O). As amostras são então modelado por irradiação com um laser de femtosegundos 11-MHz produzir 50-fs pulsos. Durante a irradiação, fotoredução de iões de prata é induzida através da absorção não-linear, a criação de um agregado de nanopartículas de prata, na região focal. Usando essa abordagem, criar padrões de prata incorporados em um PVP dopado matriz. Adicionando tradução em 3D do samplo estende o padrão para três dimensões.

Protocolo

1. Preparando metal-íon Doped filme de polímero

1. Medir 8 ml de água numa proveta.
2. Adicionar 206 mg de PVP com a água. Misturar utilizando um agitador magnético ou misturador de vórtice até que a solução fique límpida.
3. Adicionar 210 mg de _AgNO3 à solução. Misturar utilizando um agitador magnético ou misturador de vórtice até que a solução é límpida.
4. Slides revestimento de vidro com solução através da fundição de queda.
5. Colocar a lâmina de vidro em um conjunto de forno a 100 ° C. Asse amostra durante 30 minutos.
6. Remover a amostra do forno e deixe esfriar por 30 minutos.

2. Fabricação de Estruturas de prata Disconnected

1. Alinhar a configuração ilustrada na Figura 1 na tabela óptica com isoladores de vibração.
2. Ajuste compressor para obter 50-FSEC pulsos após objectiva do microscópio.
3. Ajustar filtros de densidade neutra para se obter 3-nj pulsos após o objectivo.
4. Assegurar o tamanho do ponto laser é maior do que a volta da abertura da objetiva do microscópio.
5. Definir modulador acústico-óptico para a produção de vidros de 10 mseg, durante o qual a exposição a amostra é irradiada.
6. Bloco de raio laser antes que ele atinja a amostra de microscópio e em lugar de 3 eixos fase de tradução. O percurso do feixe de impulsos de laser femtosegundo deve passar através da objectiva de microscópio de imagem e para a amostra.
7. Ligue fonte de iluminação do microscópio para observar a amostra in-situ utilizando a câmara CCD.
8. Traduzir eixo z de fase para encontrar de interface entre o substrato de vidro e película de polímero. Então, reorientar microscópio para a profundidade desejada dentro do polímero para a camada inferior mais patterning. Z-tradução durante padronização devem ser na direcção para longe da interface vidro-polímero para evitar a dispersão com estruturas fabricadas.
9. Desbloquear feixe de laser e software conjunto controlador de movimento para traduzir amostra em x -, y - e z - direções com velocidade de 100 mm / seg. Irradiar voxels individuais para 10 ms umaª separados voxels vizinhos por pelo menos vários micrômetros para imagens in-situ claro. Definir óptico-acústico taxa de repetição de 25 Hz para modulador irá produzir quatro mícrons espaçamento. Áreas expostas a laser irá conter estruturas de prata.

Resultados

O modulador acústico-óptico e filtros de densidade neutra (Figura 1) permitem controlar a quantidade de energia depositada na amostra. Usando uma exposição de 110 impulsos por voxel e nJ 3 por impulsos, com a etapa de conversão em 100 um / segundo, as estruturas de prata resultantes são facilmente visíveis por microscopia óptica in-situ. Níveis mais baixos de laser de exposição (reduzindo a energia de pulso e / ou o número de impulsos) de chumbo para características menores prata,....

Discussão

A chave para o processo é a obtenção de uma matriz dieléctrica dopado que permite a fabricação de alta resolução, mas não se degrada mais rapidamente após a preparação. Uma mistura simples de PVP, AgNO ₃ e H ₂ O permite a criação de nanoestruturas de alta resolução de prata que estão incorporados no interior de uma matriz de suporte. Variando a proporção de PVP de AgNO ₃ irá alterar a energia de laser necessária para a fabricação, e outras propriedades, tais como p...