Name: large area substrate-based nanofabrication of controllable and customizable gold nanoparticles via capped dewetting
Uploaded: 2019-02-26T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting at JoVE.com

Vi anerkender støtten fra mikroskopi Core facilitet ved Utah State University for SEM resultat. Vi erkender også National Science Foundation (Award #162344) til DC Magnetron Sputtering System, National Science Foundation (Award #133792) til (felt elektron og Ion) FEI Quanta 650 og Department of Energy, nuklear energi Universitet Program for FEI Nova Nanolab 600.

Bemærk: Store område fabrikation af kontrollerbar og kan tilpasses guld nanopartikel film er opnået ved at følge de detaljerede protokollen. Protokollen følger tre store områder, der er (1) substrat forberedelse, (2) dewetting og ætsning og (3) karakterisering.
1. underlaget forberedelse
<ol><li>Ren substrat (100 nm SiO2 på Si) bruge en acetone skyl efterfulgt af en isopropylalkohol skyl og derefter tørre ved hjælp af en strøm af N2 gas.</li>
	<li>Indlæse un...

<ol>
	<li>Pillai, S., Catchpole, K. R., Trupke, T., Green, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+plasmon+enhanced+silicon+solar+cells.">Surface plasmon enhanced silicon solar cells.</a> Journal of Applied Physics. 101 (9), 093105 (2007).</li><li>Ding, B., Lee, B. J., Yang, M., Jung, H. S., Lee, J. -. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-Plasmon+Assisted+Energy+Conversion+in+Dye-Sensitized+Solar+Cells.">Surface-Plasmon Assisted Energy Conversion in Dye-Sensitized Solar Cells.</a> Advanced Energy Materials. 1 (3), 415-421 (2011).</li><li>Tehrani, S., Chen, E., Durlam, M., DeHerrera, M., Slaughter, J. M., Shi, J., Kerszykowski, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+density+submicron+magnetoresistive+random+access+memory+(invited).">High density submicron magnetoresistive random access memory (invited).</a> Journal of Applied Physics. 85 (8), 5822-5827 (1999).</li><li>Ross, C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+patterned+media+for+high+density+magnetic+storage.">Fabrication of patterned media for high density magnetic storage.</a> Journal of Vacuum Science &amp; Technology B. 17, 3168 (1999).</li><li>Gu, M., Zhang, Q., Lamon, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanomaterials+for+optical+data+storage.">Nanomaterials for optical data storage.</a> Nature Reviews Materials. 1, 16070 (2016).</li><li>Mock, J. J., Barbic, M., Smith, D. R., Schultz, D. A., Schultz, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+effects+in+plasmon+resonance+of+individual+colloidal+silver+nanoparticles.">Shape effects in plasmon resonance of individual colloidal silver nanoparticles.</a> The Journal of Chemical Physics. 116 (15), 6755-6759 (2002).</li><li>Su, K. -. H. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interparticle+Coupling+Effects+on+Plasmon.">Interparticle Coupling Effects on Plasmon.</a> Resonances of Nanogold Particles, Nano Letters. 3 (8), 1087-1090 (2003).</li><li>Lee, K., El-Sayed, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+and+Silver+Nanoparticles+in+Sensing+and+Imaging:+Sensitivity+of+Plasmon+Response+to+Size,+Shape,+and+Metal+Composition.">Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition.</a> The Journal of Physical Chemistry B. 110 (39), 19220-19225 (2006).</li><li>Grzelczak, M., Prez-Juste, J., Mulvaney, P., Liz-Marzn, L. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Shape+control+in+gold+nanoparticle+synthesis.">Shape control in gold nanoparticle synthesis.</a> Chemical Society Reviews. 37 (9), 1783-1791 (2008).</li><li>Ye, J., Thompson, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Templated+Solid-State+Dewetting+to+Controllably+Produce+Complex+Patterns.">Templated Solid-State Dewetting to Controllably Produce Complex Patterns.</a> Advanced Materials. 23 (13), 1567-1571 (2011).</li><li>Huang, J., Kim, F., Tao, A., Connor, S., Yang, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spontaneous+formation+of+nanoparticle+stripe+patterns+through+dewetting.">Spontaneous formation of nanoparticle stripe patterns through dewetting.</a> Nature Materials. 4, 896-900 (2005).</li><li>Hughes, R. A., Menumerov, E., Neretina, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=When+lithography+meets+self-assembly:+a+review+of+recent+advances+in+the+directed+assembly+of+complex+metal+nanostructures+on+planar+and+textured+surfaces.">When lithography meets self-assembly: a review of recent advances in the directed assembly of complex metal nanostructures on planar and textured surfaces.</a> Nanotechnology. 28 (28), 282002 (2017).</li><li>Kim, D., Giermann, A. L., Thompson, C. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Solid-state+dewetting+of+patterned+thin+films.">Solid-state dewetting of patterned thin films.</a> Applied Physics Letters. 95 (25), 251903 (2009).</li><li>Fowlkes, J. D., Doktycz, M. J., Rack, P. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+optimized+nanoparticle+separator+enabled+by+electron+beam+induced+deposition.">An optimized nanoparticle separator enabled by electron beam induced deposition.</a> Nanotechnology. 21 (16), 165303 (2010).</li><li>White, B. C. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Different+Thickness+Alumina+Capping+Layers+on+the+Final+Morphology+of+Dewet+Thin+Ni+Films.">The Effect of Different Thickness Alumina Capping Layers on the Final Morphology of Dewet Thin Ni Films.</a> Applied Physics A. 124 (3), 233 (2018).</li></ol>

Protokollen er en realistisk og nem proces for en nano-produktionsproces til fremstilling af nanopartikler på et substrat over store områder med kontrollerbare egenskaber. Det dewetting fænomen, som fører til produktion af partikler, er baseret på det dewetted lag tendens til at opnå minimum overflade energi. Kontrol over størrelse og form af partikler er målrettet med aflejring af en anden overflade på de vigtigste lag til at tune de overflade energier, og den endelige ligevægt mellem vedhæftning og energi kr...

Large-området nanopartikel film fabrikation er af afgørende betydning for vedtagelsen af de seneste teknologiske fremskridt i solenergi konvertering og high density datalagring med brug af plasmonic nanopartikler1,2, 3 , 4 , 5. det er interessant, er de magnetiske egenskaber af nogle af disse plasmonic nanopartikler, som giver disse nanopartikler med evnen til at manipulere og kontrollere lys på nanoplan. Denne kontrollerbarhed lysets giver mulighed for at forbedre lys fastklemning af det indfaldende lys på nanoskalaen og øge optagelighed af overfladen. Baseret på disse samme egenskaber og har mulighed for at have nanopartikler i enten en magnetiseret og en ikke-magnetisk stat, forskere også definere en ny platform for high-density digitale dataopbevaring. I hvert af disse programmer, er det kritisk at et stort område og overkommelig nanofabrication teknik er udviklet at tillader nemlig kontrol af nanopartikel størrelse, afstand og form.
De tilgængelige teknikker til at producere nanopartikler er hovedsagelig baseret på nanoskala litografi, som har betydelige skalerbarhed og koste spørgsmål. Der har været flere forskellige undersøgelser, der har forsøgt at løse skalerbarhed problemet af disse teknikker, men til dato, ingen proces eksisterer der giver niveauet af kontrol nødvendig for nanopartikel fabrikation og omkostninger og tid effektiv nok til vedtagelse i industrielle applikationer6,7,8,9,10,11. Nogle nylige forskningsindsats bedre kontrollerbarhed pulserende laser induceret dewetting (PLiD) og skabelonbaseret solid-state dewetting12,13,14, men de har stadig væsentlig kræves litografi trin og dermed skalerbarhed problem.
I dette manuskript præsenterer vi protokollen af en nanofabrication metode, der vil løse problemet skalerbarhed og omkostninger, der har plaget vedtagelse og anvendelse af nanopartikel film i udbredt industrielle applikationer. Denne behandling metode giver kontrol over de fremstillede nanopartikler størrelse og afstand ved at manipulere de overflade energier, der dikterer den samlesæt af nanopartikler dannet. Her, vi demonstrere brugen af denne teknik ved hjælp af en tynd guld film til at producere guld nanopartikler, men vi har for nylig offentliggjort en lidt anden version af denne metode, ved hjælp af en nikkel film og dermed denne teknik kan bruges med alle ønskede metal. Målet med denne metode er at producere nanopartikel film samtidig minimere omkostningerne og kompleksiteten af processen og dermed vi har ændret vores tidligere tilgang, der anvendes atomare lag deposition og nanosekund laser bestråling på en Ni-alumina system og erstattet dem med fysisk dampudfældning og en varm tallerken. Resultatet af vores arbejde på en Ni-alumina system viste også et acceptabelt niveau af kontrol på morfologi af overfladen efter den dewetting15.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>100 nm SiO2/Si Substrate</td>
			<td>University Wafer</td>
			<td>Thermal Oxide Wafer</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alumina Sputter Target (99.5%)</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>Alumina Target</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold Wire (99.99%)</td>
			<td>Kurt J. Lesker</td>
			<td>Gold Wire</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>H2O2</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hot Plate</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>Cimarec</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NH4OH</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope</td>
			<td>FEI</td>
			<td>Quanta 650</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scanning Electron Microscope</td>
			<td>FEI</td>
			<td>Nova Nanolab 600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sputter Deposition System</td>
			<td>AJA International</td>
			<td>Orion-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermal Evaporator</td>
			<td>Edwards</td>
			<td>360</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

large area substrate-based nanofabrication of controllable and customizable gold nanoparticles via capped dewetting

De seneste videnskabelige fremskridt i udnyttelsen af metallisk nanopartikel for øget energi konverteringseffektivitet, forbedret optisk enhed ydeevne og high density datalagring har vist den potentielle fordel for deres anvendelse i industrielle applikationer. Disse programmer kræver præcis kontrol over nanopartikel størrelse, afstand, og undertiden form. Disse krav har resulteret i brug af tid og koste intensiv behandlingstrin for at producere nanopartikler, hvilket gør overgangen til industribrug urealistisk. Denne protokol vil løse dette problem ved at give en skalerbar og billig metode til store flader produktion af nanopartikel film med forbedret nanopartikel kontrol i forhold til de nuværende teknikker. I denne artikel, processen vil blive demonstreret med guld, men andre metaller kan også bruges.

Protokollen beskrevet her er blevet brugt af flere metaller og har vist evnen til at producere nanopartikler på et substrat over store-område, med kontrollerbare størrelse og afstand. Figur 1 viser protokollen med repræsentative resultater viser evne til at styre den opdigtede nanopartikel størrelse og afstand. Efter denne protokol, det resultat, som er opdigtet nanopartikel film med størrelse og afstand distributioner, vil være afhængig af valget af ...

Watch this Scientific Journal Video about Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting at JoVE.com

Large Area Substrate-Based Nanofabrication of Controllable and Customizable Gold Nanoparticles Via Capped Dewetting

Denne protokol beskriver en ny nano-fremstilling teknik, der kan bruges til at lave film, kontrollerbar og kan tilpasses nanopartikel over store områder baseret på den samlesæt af dewetting af udjævnede metal film.

Stort område substrat-baseret Nanofabrication af kontrollerbar og kan tilpasses guld nanopartikler Via reducerede Dewetting

Recent scientific advances in the utilization of metallic nanoparticle for enhanced energy conversion efficiency, improved optical device performance, and ...

Vores protokol giver en teknik til at tilpasse nanopartikel distribution, fremstillet på et substrat, med at ændre dewetting dynamik, uden at ændre materialets tykkelse. Vores teknik er enkel, men giver stadig en række partikelstørrelser. Andre teknikker derude kræver omfattende litografiske skridt til at give partikelkontrol.Vores kontrol af partikelfordeling giver en teknik til nanopartikelfabrikation, der gavner forskning med fokus på solenergikonvertering, oprettelse af fotoniske enheder og øget tæthed af datalagring. Vær meget opmærksom på deposition tykkelser på hvert trin. Vores teknik er ekstremt følsom over for lagtykkelser.At se det udførte eksperiment giver et detaljeringsniveau, der ikke kan formidles på tryk. Det er vigtigt at se eksempler, der bevæger sig gennem hele processen. Først rengøre en 100 nanometer siliciumdioxid på silicium substrat, ved hjælp af en acetone skylning, efterfulgt af en isopropyl alkohol skylning.Underlaget tørres med en strøm af nitrogengas. Indlæs underlaget i et termisk fordampersystem, og evakuer kammeret for at nå det ønskede tryk for aflejring af metalfilmen. Sørg for, at kammeret er evakueret til et tryk på rækkefølgen af 10 til minus seks torr til fjernelse af luft-og vanddamp i kammeret.Ved hjælp af den termiske fordamper system, deponere guldfilmen på den ønskede tykkelse, som er fem nanometer i dette eksperiment. I den anden aflejringsfase er argontrykket en til fem millitorr, og området gives, da forskellige tryk vælges for at kalibrere for aflejringshastigheden. Vores teknik er ekstremt følsom over for filmtykkelser, som vist i vores resultater.Det er afgørende at kalibrere deposition satser før deponering af filmene, for at sikre passende tykkelser. Efter aflejring, udluftkammeret og fjern underlaget, med den deponerede metalfilm, fra det termiske fordampersystem. Dernæst indlæse substrat, med en deponeret metalfilm, i en direkte strøm magnetron sputter deposition system og evakuere for at nå det ønskede tryk for aflejring af capping film.Hvis du vil finde prøven i systemet, skal du placere prøven i belastningslåsen. Og enheden overfører prøven til hovedaflejringskammeret for at sikre et tilstrækkeligt vakuumniveau. Nu deponere capping lag af det ønskede materiale og tykkelse, efter en lignende procedure og tilstand som guld lag aflejring.Med variabel tykkelse Illumina, i dette tilfælde. Efter aflejring udluftning kammeret og fjern den forberedte prøve fra sputter deposition systemet. Placer de fem nanometer guld film, udjævnet med Illumina, på en forvarmet kogeplade ved 300 grader Celsius, og lad prøven afvænning i en time.Æt Illumina, mens du forlader guld og underliggende substrat med en vandig opløsning af ammoniumhydroxid og hydrogenperoxid ved 80 grader Celsius i en time. Til karakterisering forberedes prøven som vakuumkompatibel ved skylning med acetone og isopropylalkohol. Tør derefter prøven ved hjælp af en strøm af nitrogengas.Billede nanopartikel film ved hjælp af scanning elektron mikroskopi under høj vakuum og ved høj forstørrelse. Udfør billedanalyse for at få oplysninger om nanopartikelstørrelse og afstandsfordelinger. Den protokol, der er beskrevet her, er blevet anvendt til flere metaller og har vist evnen til at producere nanopartikler på et underlag over stort område med kontrollerbar størrelse og afstand.Repræsentative resultater vises her, og fremhæve evnen til at styre den fabrikerede nanopartikel størrelse og afstand. Størrelsen og afstandsfordelingen af den fabrikerede nanopartikelfilm vil afhænge af metallet, underlaget, læggelaget materiale, metaltykkelsen og capping lagtykkelsen. Som et eksempel, de fem nanometer guld film om siliciumdioxid, med aluminiumoxid capping lag tykkelse på nul, fem, 10 og 20 nanometer resultere i en gennemsnitlig nanopartikel radier på 14,2, 18,4, 17,3 og 15,6 nanometer hhv.Og en gennemsnitlig nonoparticle afstand på 36,9, 56,9, 51,3 og 47,2 nanometer hhv. For den ønskede partikelfordeling er nøjagtig styring af depositionslagtykkelser afgørende. Afhængigt af anvendelsen af dine nanopartikelfilm kan der være behov for mere karakterisering.Dette vil omfatte applikationsbaserede målinger, som lysabsorption og magnetiske egenskaber. Undersøgelser af nanopartikelfilm i brug kan udføres ved hjælp af denne teknik for at kontrollere deres partikelstørrelse og -fordeling. Der skal bæres passende personlige værnemidler.Især ikke komme i kontakt med ætsninger. Undgå kontakt med kogepladen.

Research

JoVE Journal

Engineering

Optical Trapping of Nanoparticles

Optisk diffusering af nanopartikler

Optical trapping is a technique for immobilizing and manipulating small objects in a gentle way using light, and it has been widely applied in trapping ...

Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers

Syntese og Funktionalisering af Nitrogen-doped kulstof nanorør Cups med guld nanopartikler som korkpropper

Nitrogen-doped carbon  nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as  nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs).  These ...

Nanofabrication of Gate-defined GaAs/AlGaAs Lateral Quantum Dots

Nanofabrikation af gate-definerede GaAs / AlGaAs Lateral Quantum Dots

A quantum computer is a computer composed of quantum bits (qubits) that takes advantage of quantum effects, such as superposition of states and ...

Electroactive Polymer Nanoparticles Exhibiting Photothermal Properties

Elektroaktiv Polymer Nanopartikler udstiller fototermisk Properties

A method for the synthesis of electroactive polymers is demonstrated, starting with the synthesis of extended conjugation monomers using a three-step ...

Capillary-based Centrifugal Microfluidic Device for Size-controllable Formation of Monodisperse Microdroplets

Kapillær-baserede Centrifugal mikrofluidanordning for Size-styrbar Dannelse monodisperse Mikrodråber

Here, we demonstrate a simple method for the rapid production of size-controllable, monodisperse, W/O microdroplets using a capillary-based centrifugal ...

Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

Strain Sensing Baseret på multiscale Composite Materials Forstærket med Graphene Nanoplatelets

The electrical response of NH2-functionalized graphene nanoplatelets composite materials under strain was studied. Two different manufacturing methods are ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Syntese af Gold Nanopartikler uden Sammenlægning i mellemlaget Space of Layered titanat Gennemsigtige Films

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...

Plasmonic Trapping and Release of Nanoparticles in a Monitoring Environment

Plasmoniske fældefangst og frigivelse af nanopartikler i en Monitoring Miljø

Plasmonic tweezers use surface plasmon polaritons to confine polarizable nanoscale objects. Among the various designs of plasmonic tweezers, only a few ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Fabrikation af periodiske guld Nanocup Arrays ved brug af kolloid litografi

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Preparation of Large-area Vertical 2D Crystal Hetero-structures Through the Sulfurization of Transition Metal Films for Device Fabrication

Forberedelse af store område lodret 2D Crystal Hetero-strukturer for gennem Sulfurization af overgangen Metal film for enheden fabrikation

We have demonstrated that through the sulfurization of transition metal films such as molybdenum (Mo) and tungsten (W), large-area and uniform transition ...