Nanofabricação baseado em substrato de grande área de nanopartículas de ouro controláveis e personalizáveis através de Dewetting tampado

Resumo

Este protocolo detalha uma nova técnica de fabricação de nano que pode ser usada para fazer filmes de nanopartículas controlável e personalizável em grandes áreas, com base na auto-montagem de dewetting dos filmes de metal tampados.

Resumo

Recentes descobertas científicas na utilização de nanopartículas metálicas para armazenamento de dados de alta densidade, dispositivo óptico melhorado desempenho e eficiência de conversão de energia aprimorado demonstraram o benefício potencial de seu uso em industrial aplicações. Estas aplicações requerem um controle preciso sobre nanopartículas tamanho, espaçamento e às vezes de forma. Esses requisitos têm resultou no uso de tempo e custo de etapas de processamento intensivo para produzir nanopartículas, tornando a transição para a aplicação industrial irrealista. Este protocolo irá resolver esse problema, fornecendo um método escalonável e acessível para a produção de grande área de nanopartículas filmes com nanopartículas melhorado controle em comparação com as técnicas atuais. Neste artigo, o processo será demonstrado com ouro, mas outros metais também podem ser usados.

Introdução

Fabricação de filme de grande-área de nanopartículas é criticamente importante para a adopção dos recentes avanços tecnológicos no armazenamento de dados de alta densidade e conversão de energia solar com o uso de nanopartículas plasmônico^{1,2, 3 , 4 , 5}. Curiosamente, é as propriedades magnéticas de algumas dessas nanopartículas plasmônico, que fornecem essas nanopartículas com a capacidade de manipular e controlar a luz à escala nanométrica. Este controlabilidade de luz fornece a possibilidade de aprimorar armadilha luminosa da luz incidente em nanoescala e aumentar a absorvência da superfície. Com base nestas mesmas propriedades e ter a capacidade de ter nanopartículas em qualquer um magnetizado e um estado não-magnetizados, cientistas também estão definindo uma nova plataforma de armazenamento de dados digitais de alta densidade. Em cada uma dessas aplicações, é fundamental que uma grande área e nanofabricação acessível é desenvolvida técnica que permite o controle de tamanho de nanopartículas, espaçamento e forma.

As técnicas disponíveis para a produção de nanopartículas baseiam-se principalmente a litografia de nanoescala, que têm escalabilidade significativa e questões de custos. Tem havido vários estudos diferentes que têm tentado resolver o problema de escalabilidade destas técnicas, mas até à data, nenhum processo existe que fornece o nível de controle necessário para a fabricação de nanopartículas e é eficaz o suficiente para o tempo e custo adoção em aplicações industriais,^{6,7,8,9,10,11}. Algumas recentes esforços de pesquisa melhoraram a controlabilidade de laser pulsado induzido dewetting (PLiD) e modelo Solid-State dewetting^12,13,14, mas ainda têm significativos necessários etapas de litografia e, portanto, o problema de escalabilidade.

Este manuscrito, apresentamos o protocolo de um método de nanofabricação que irá abordar este problema de escalabilidade e custo que tem atormentado a adopção e utilização de nanopartículas filmes em aplicações industriais generalizadas. Este método de processamento permite o controle sobre as nanopartículas produzidas tamanho e espaçamento, manipulando as energias de superfície que ditam a auto-montagem das nanopartículas formadas. Aqui, vamos mostrar o uso desta técnica, utilizando uma fina camada de ouro para a produção de nanopartículas de ouro, mas recentemente publicamos uma versão ligeiramente diferente desse método usando um filme de níquel e, portanto, esta técnica pode ser usada com qualquer metal desejado. O objetivo desse método é produzir filmes de nanopartículas, minimizando o custo e a complexidade do processo e, portanto, modificamos a nossa abordagem anterior, que um sistema Ni-alumina usados deposição de camada atômica e a irradiação do laser de nanossegundos e substituído -los com deposição de vapor físico e um prato quente. O resultado do nosso trabalho em um sistema de Ni-alumina também mostrou um nível aceitável de controle sobre a morfologia da superfície após a dewetting¹⁵.

Protocolo

Nota: A fabricação de grande área de nanopartículas de ouro controlável e personalizável filmes é conseguida seguindo o protocolo detalhado. O protocolo segue três áreas principais que são o preparo do substrato (1), (2) dewetting e gravura e (3) a caracterização.

1. os preparadores

1. Limpe o substrato (100 nm SiO₂ em Si) usando um enxaguatório acetona seguido de um enxágue com álcool isopropílico e seque usando um fluxo de N₂ gás.
2. Carregar o substrato para o sistema de evaporação térmica e evacuar para atingir a pressão desejada para a deposição do metal filme. Certifique-se de que a câmara é evacuada a uma pressão da ordem de 10^-6 Torr para a remoção de ar e vapor de água na câmara.
3. Usando o evaporador térmico, depositar o filme ouro na espessura desejada (5 nm neste caso). O material de fonte de ouro foi obtido sob a forma de fio de diâmetro de 0,5 mm de ouro (99,99% de pureza). Observe que o controle de espessura por todas as etapas de deposição é executado pela calibração da máquina, considerando todos os parâmetros importantes e postar a medição da espessura. Em ambas as fases de deposição, a pressão de argônio é um par de millitorrs (1-5 mTorr), e a escala é dada como diferentes pressões são escolhidas para calibrar para a taxa de deposição.
4. Desabafar e remover o substrato com película do metal depositado do sistema térmica do evaporador. O protocolo pode ser pausado aqui.
5. Carregar o substrato com película do metal depositado no sistema de deposição por pulverização catódica de corrente direta (DC) magnétron e evacuar para atingir a pressão desejada para deposição do filme tampando (Tabela de materiais).
   1. Para localizar a amostra na máquina, colocar a amostra na carga de bloqueio e o dispositivo transfere a amostra para a câmara de deposição principal para garantir um nível suficiente de vácuo. Observe que a deposição de alumina tampar camada contos lugar na próxima etapa e este passo é explicando o processo de colocação da amostra no aparelho e como a amostra é transferida para a câmara principal de deposição.
6. Deposite a camada de nivelamento do material desejado e espessura. Note-se que a deposição da alumina segue um procedimento semelhante e a condição da deposição de camada de ouro, alumina de espessura variável neste caso. O material de origem da alumina foi obtido sob a forma de um 50,8 mm de diâmetro, alvo de 6,35 mm espessura por pulverização catódica de óxido de alumínio (99,5% de pureza).
7. Câmara de deposição por pulverização catódica de DC magnetrão de ventilação e remover a amostra preparada. (Tabela de materiais). O protocolo pode ser pausado aqui.

2. dewetting e gravura

1. Coloque a amostra preparada em um prato quente pré-aquecido. Para o filme de nm ouro 5 tampado com alumina, aquecer a amostra a 300 ° C e permitir que a amostra de dewet por 1h. O protocolo pode ser pausado aqui.
2. Etch a alumina enquanto deixando o ouro e subjacentes SiO₂/Si substrato com um 3:1:1 = H₂O:NH₄OH:H₂O₂ (em % em peso) solução a 80 ° C, durante 1 h. nota que o processo é realizado em uma capa e todas as precauções necessárias para lidar com materiais perigosos corrosivos e ambientais deve ser tomada. O protocolo pode ser pausado aqui.

3. caracterização

1. Prepare a amostra para ser compatível com vácuo por uma lavagem com acetona e álcool isopropílico, seguido de secagem com N₂.
2. Os filmes de nanopartículas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) de imagem sob alto vácuo e alta ampliação (50, 000 X ampliação neste caso para resolver as nanopartículas tamanhos mínimas). O protocolo pode ser pausado aqui.
3. Realizar análise de imagem para obter informações de tamanho de nanopartículas e distribuições de espaçamento. A análise da imagem é feita usando um código baseado em MATLAB que limiares a imagem em tons de cinza, executa partícula rotinas¹⁵de enchimento e redução de ruído.

Resultados

O protocolo descrito aqui tem sido utilizado para vários metais e tem demonstrado a capacidade de produzir nanopartículas sobre um substrato ao longo da grande-área, com tamanho controlável e espaçamento. A Figura 1 mostra o protocolo com resultados representativos, mostrando a capacidade de controlar as nanopartículas fabricados tamanho e espaçamento. Quando este protocolo, o resultado, que é o filme de nanopartículas fabricado com tamanho e espaça...

Discussão

O protocolo é um processo fácil e viável para um processo de fabricação de nano para a produção de nanopartículas sobre um substrato em grandes áreas com características controláveis. O fenômeno dewetting, que leva à produção de partículas, baseia-se a tendência da camada de dewetted para alcançar a energia de superfície mínima. O controle sobre o tamanho e forma das partículas é direcionado com a deposição de uma segunda superfície na camada principal para sintonizar as energias de superfície, ...

Materiais

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