Изготовление периодических золото Nanocup массивов с использованием коллоидного литография

Резюме

Мы продемонстрировать изготовления периодических золото nanocup массивов с использованием коллоидного литографические техники и обсудить важность nanoplasmonic фильмов.

Аннотация

В последние годы поле плазмоники взорвалась как исследователи продемонстрировали захватывающие приложений, связанных с химические и оптические зондирования в сочетании с новыми методами нанотехнологические. Плазмон является квантовой колебаний плотность заряда, который одалживает наноразмерных таких металлов, как золото и серебро уникальными оптическими свойствами. В частности золотые и серебряные наночастицы экспонат локализованных поверхностного плазмон плотность заряда резонансы коллективные колебания на поверхности наночастиц в видимой области спектра. Здесь мы сосредоточены на изготовление периодических массивы анизотропной плазмонных наноструктур. Эти структуры Полублочные (или nanocup) могут exhibit дополнительных уникальных Легкий изгиб и поляризации зависимой оптические свойства этой простой изотропной наноструктур нельзя. Исследователи интересует изготовление периодических массивы nanocups для широкого ряда приложений, таких как лоу кост оптических приборов, поверхность расширение комбинационного рассеяния и тампером индикация. Мы представляем масштабируемый метод, основанный на коллоидных литография, в котором можно легко изготовить большие массивы периодические nanocups с помощью спин покрытие и самостоятельно собранных коммерчески доступных полимерных nanospheres. Электронная микроскопия и Оптическая спектроскопия от видимого до ближней ИК-области (рядом IR) была выполнена для подтверждения успешного nanocup изготовления. Мы заключаем с демонстрацией передачи nanocups гибкий, конформные клейкая пленка.

Введение

Появление плазмоники в сочетании с более нанотехнологические и методов синтеза привели широкий спектр интересных технологий, таких как суб дифракции ограниченный схемотехника, расширение обнаружения химических веществ и оптического зондирования^{1 ,2,3}. В этом протоколе мы демонстрируем масштабируемой и относительно недорогой техники способны изготовить nanopatterned плазмонных субстратов, использование коммерчески доступных полимерных nanospheres и травления шагом последовали осаждения металла. В отличие от других методов для изготовления nanopatterned субстратов, например электронно пучка литографии⁴, этот метод можно быстро и эффективно масштабировать до 300 мм пластин и за его пределами с минимальными усилиями и использует передачу шаг производить гибкий и конформное фильмы⁵.

Начиная с римской эпохи мы знали, что некоторых металлов, как золото и серебро может иметь блестящие оптических свойств, когда они разделены мелко. Сегодня, мы понимаем, что эти частицы металла выставку под названием «локализованные поверхностного плазмон резонанс» эффект (ЛСПР), когда их размеры подход наноуровне. Рамные ЛСПР аналогична стоячей волны, в которых слабо связанные электроны в металле осциллируйте когерентно когда свет определенных частот освещает частицы металла. Анизотропные наноструктур представляют особый интерес, потому что уникальный оптический резонансов может возникнуть в результате симметрии^6,,78.

Освещения структур половину оболочки (nanocup) с свет может волновать электрического диполя или магнитный Диполь плазмон режимах, в зависимости от таких факторов, как угол осаждения металла, ориентация субстрата в отношении падающего света и поляризацией падающего света⁹. Nanocups часто рассматривались аналогична трехмерной Сплит кольцевых резонаторов, в которых частоты резонанса можно аппроксимировать как LC-осциллятор^10,11. Резонансная частота для размера полимерных nanospheres здесь (170 Нм), количество хранение золота (20 Нм), и etch тарифы дают резонансных частот, охватывающих видимого и вблизи IR.

Оптические свойства Золотой nanocups может быть измерена в передаче или отражения, в зависимости от субстрата, используемые для спин покрытие. В представленных протокол мы решили использовать 2 дюйма кремниевых пластин в качестве субстрата и выполнять измерения коэффициента отражения после осаждения металла. Измерения проводились с помощью микроскопа сочетании энергодисперсионный спектрометр с источником света галогенной. Мы также имели успех с использованием стеклянные подложки, позволяя для передачи и отражения измерений сразу же после осаждения металла. Кроме того этот метод может быть легко масштабируется и не ограничивается 2 дюйма пластин. Благодаря широкой коммерческой доступности монодисперсных высокого качества полимерных nanospheres это просто для настройки оптических свойств этих структур, просто начиная с по-разному размера nanospheres.

В этом протоколе, техника для изготовления анизотропной Полублочные (или nanocup) золота, продемонстрированную наноструктур, используя метод, называемый коллоидный литографии. Коллоидный литографии самостоятельной сборки использует высоко монодисперсных полимерных наносферы для быстро узор подложки, который может быть дополнительно обработаны в подложке плазмонных после распыления покрытия тонким слоем золота. Кроме того можно настроить анизотропии субстрата, наклоняя образца субстрата течение осаждения металла. Полученных структур чувствительны к поляризации вследствие анизотропии сформированных наноструктур. Здесь, мы демонстрируем одного конкретного дела и выполнять оптических характеристик и старт для передачи структуры с прозрачной, гибкие фильм.

протокол

1. Подготовка материала

1. место несколько пластин кремния 2 дюйма в кварцевые перевозчика для очистки и загрузить кремниевых пластин в плазменного травления системы. Насос вакуумной камеры вниз, пока он не достигнет по крайней мере 75 mTorr. Это может занять несколько минут.
2. Начать подачу газа O ₂ (30 sccm) и позволить давление для стабилизации. Установите время etch до 15 мин. После стабилизации давления в камере начать плазмы W 13,56 МГц 250 радиочастотной (РЧ).
   Примечание: Этот шаг очищает кремниевых пластин любой органической загрязняет и functionalizes поверхности с гидроксилированы (-OH) постановление, обеспечивая тем самым поверхность гидрофильные.
3. Во время ожидания для очистки плазмы шаг, чтобы закончить, удалите коммерчески приобретенных полистирола nanospheres (170 Нм диаметр, 10% твердых веществ, 0,5% натрия лаурилсульфат) из холодильника (4 ° C). Разрешить контейнер, чтобы нагреть до комнатной температуры.
4. Кратко вихря (1 мин) и sonicate (35 кГц, 1 мин) полистирола nanospheres к минимуму наносферы аггломерации.
5. Во флакон чистого стекла, мера 1.0 мл 170 Нм полистирола nanospheres и добавить 1,0 мл H ₂ O для получения 5% твердых коллоидных подвеска.
6. После 15 мин, остановить поток O ₂, вентиляционных систем вакуумной камеры и удалить свежезаваренным очищены вафель.

2. Спин покрытие полистирола шаблона Nanospheres

1. выгрузки очищенного кремния пластин из плазмы гравер. Затем установите пластины 2 дюйма на спин coater. Убедитесь, правильно центрируется и уплотнительное кольцо подальше от любой мусор. Инициировать вакуума и убедитесь, что пластины надежно подключен к стадии.
2. Настроить параметры спина спина coater. Эти параметры зависят от размера наносферы. Для решения 5% 170 Нм nanospheres, спин coater равным 1 шаг процесса с временем спин 1 мин, скорость 3000 об/мин, и ускорение 2000 об/мин/s.
3. С использованием одноразовых шприцев, снять ~ 1 мл коллоидной суспензии из флакона. Отложите флакона. Возьмите шприц фильтр 5 мкм и поместите его в конце шприца. Отожмите шприца до капли подвеска очищает кончик. Фильтр удаляет нежелательные агрегатов и твердых частиц, может значительно снизить качество фильма.
4. Депозит достаточно подвеска непосредственно в центре пластины, таким образом, что около 2/3 поверхности покрыта. Постарайтесь свести к минимуму пузыри, потому что тех, кто может повлиять на качество фильма. Закройте крышку спин coater и нажмите кнопку Старт. В ходе этого процесса может быть можно увидеть эффекты интерференции тонкой пленки на поверхности пластины как самостоятельно собрать nanospheres. Это будет меняться в зависимости от диаметра наносферы.
5. Удаление спин покрытием пластин после отключения пылесоса. Протрите чашу и крышку спин coater удалить избыток nanospheres.

3. Фильм, оценки качества и подготовки для травления

1. визуально оценить качество собственн-собранные фильма, глядя на заметные дефекты например полосы или отверстия, которые возможно были вызваны частиц во время процесса спин покрытие.
2. Оценить качество фильма, поместив пластины под оптический микроскоп. Границ зерна и некоторые дефекты являются нормальными. Если вафля имеет большие участки без покрытия или очевидным многослойных структурах, необходимо настроить параметры вращения для получения более равномерную пленку. Электронная микроскопия может также использоваться для оценки качества фильма.
3. Включите источник света в микроскоп и фокус на поверхность пластины кремния с помощью 20 X цель. Оценить качество в нескольких местах по всему пластин для обеспечения единообразия.
4. Последний фильм качества проверки самостоятельной сборки является использование растровая электронная микроскопия (SEM) для визуализации наносферы на наноуровне. Это позволяет оценить степень многослойных структурах, отверстия и зерна границ/дефекты через небольшими порциями вафли, относительно быстро, используя эту технику.
5. , Получив достаточно фильм, место вафля в духовке (107 ° C) для 2 минут для отжига собственн-собранные nanospheres. Это помогает стимулировать адгезией к подложке и дает лучшее nanopatterned поверхности после протравки.

4. Травления, осаждения металлов и оптических характеристик

1. загрузить отожженная пластин в плазме гравер и инициировать насоса вниз процесса.
2. После вакуумной камеры достигает по меньшей мере 75 mTorr, начать подачу газа O ₂ (20 sccm) и ждать давления для стабилизации. Инициировать РФ плазмы (75 Вт) для 165 s.
3. После завершения цикла плазмы РФ, остановить поток O ₂ и вентиляционные камеры.
4. Субстрата в настоящее время травления и готовы для осаждения металла. Транспорт для распыления нанесения покрытий образца и депозит тонким (20 Нм) слоем золота. Различные углы осаждения может использоваться для изменения оптических свойств nanocups. В этом случае, была выполнена осаждения металла обычно инцидента к субстрату.
5. После осаждения металла, субстрат можно охарактеризовать с помощью оптической спектроскопии. Основное внимание microspectrophotometer на поверхность металлизированная субстратом и измерять спектры отражения. 170 Нм травленная наносферы массивов, рамные ЛСПР был в 615 Нм.
6. Использование чувствительных к давлению скотч, осторожно поместите фильм при контакте с подложкой. Это может быть необходимо удалить все пузырьки воздуха, которые образуются в интерфейсе с помощью пинцета.
7. Как только лента находится в контакте с подложкой, лента может быть сразу же снимают для удаления nanocups от поверхности субстрата. Аккуратно чистить обратно ленты и результатом является гибким и конформных фильм Золотой nanocups.

Результаты

Золото nanocups были подготовлены с использованием 170 Нм диаметр полистирола nanospheres. После отжига на 2 мин на 107 ° C и травления с 75 Вт, 20 sccm O₂ плазмы для 165 s, полученный фильм был охарактеризован с помощью SEM (рис. 1). Чтобы оценить качество спин литой пленки...

Обсуждение

Этот протокол демонстрирует недорогостоящих и эффективных техника для изготовления периодических массивы плазмонных Золотой nanocups. Эта техника особенно выгодно, потому что он избегает серийный сверху вниз процессы, такие как Электронная литография или целенаправленного ионного пучк...

Материалы

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