Name: large area substrate-based nanofabrication of controllable and customizable gold nanoparticles via capped dewetting
Uploaded: 2019-02-26T14:30:00
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Nous reconnaissons l’appui de la microscopie Core Facility à Utah State University pour le résultat de la SEM. Nous reconnaissons également la Fondation nationale des sciences (prix #162344) pour le système de pulvérisation cathodique magnétron DC, la National Science Foundation (prix #133792) pour le (champ électrons et ions) 650 Quanta FEI et le Department of Energy, Université de l’énergie nucléaire Programme pour la FEI Nova Nanolab 600.

NOTE : La fabrication de la grande surface des nanoparticules or contrôlable et personnalisable films sera assurée en suivant le protocole détaillé. Le protocole fait suite à trois grands domaines que sont la préparation du substrat (1), (2) démouillage et eau-forte et caractérisation (3).
1. préparation du substrat
<ol><li>Nettoyer le substrat (100 nm SiO2 sur as) en utilisant un rinçage de l’acétone suivie d’un rinçage à l’alcool isopropylique et puis séchez...

<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>

Le protocole est un processus facile et faisable pour un processus de nanofabrication pour la production de nanoparticules sur un substrat sur de grandes superficies avec caractéristiques contrôlables. Le phénomène de démouillage, qui conduit à la production de particules, est basé sur la tendance de la couche de dewetted pour atteindre une énergie de surface minimale. Le contrôle sur la taille et la forme des particules est ciblé par le dépôt d’une deuxième surface sur la couche principale de régler les ...

Fabrication de film grand-zone nanoparticule est cruciale pour l’adoption des récents progrès technologiques en conversion d’énergie solaire et stockage de données à haute densité avec l’utilisation de nanoparticules plasmoniques1,2, 3 , 4 , 5. il est intéressant, c’est les propriétés magnétiques de certains de ces nanoparticules plasmoniques qui fournissent ces nanoparticules avec la possibilité de manipuler et de contrôler la lumière à l’échelle nanométrique. Cette maîtrise de la lumière offre la possibilité de renforcer le piégeage lumineux de la lumière incidente à l’échelle nanométrique et augmenter la capacité d’absorption de la surface. Basé sur ces mêmes propriétés et ayant la capacité d’avoir des nanoparticules dans soit un aimantée et un état de non-magnétisé, scientifiques définissent également une nouvelle plate-forme pour le stockage de données numériques haute densité. Dans chacune de ces applications, il est essentiel qu’une grande surface et la nanofabrication abordable technique est développée qui permet le contrôle de la taille de la nanoparticule, espacement et forme.
Les techniques disponibles pour produire des nanoparticules sont principalement basées sur échelle nanométrique lithographie, qui ont une évolutivité importante et questions de coûts. Il y a eu plusieurs études différentes qui ont tenté de régler le problème de l’évolutivité de ces techniques, mais à ce jour, aucun processus n’existe qui fournit le niveau de contrôle requis pour la fabrication de nanoparticules et est assez efficace pour les temps et coûts adoption en applications industrielles6,7,8,9,10,11. Certains récents efforts de recherche amélioré la contrôlabilité des lasers pulsés induits démouillage (PLiD) et basé sur un modèle à l’état solide démouillage12,13,14, mais ils ont toujours important requis étapes de la lithographie et donc le problème d’évolutivité.
Dans ce manuscrit, nous présentons le protocole d’une méthode de nanofabrication qui abordera cette question d’évolutivité et de coût qui sévit dans l’adoption et l’utilisation de films de nanoparticules dans des applications industrielles très répandues. Cette méthode de traitement permet le contrôle de l’espacement et la taille de la nanoparticule produite en manipulant les énergies de surface qui dictent l’auto-assemblage des nanoparticules formés. Ici, nous montrent l’utilisation de cette technique en utilisant une fine pellicule d’or pour produire des nanoparticules d’or, mais nous avons récemment publié une version légèrement différente de cette méthode à l’aide d’un film de nickel, et donc cette technique peut être utilisée avec n’importe quel métal désiré. L’objectif de cette méthode consiste à produire des nanoparticules films tout en minimisant le coût et la complexité du processus et par conséquent, nous avons modifié notre approche antérieure, qui a utilisé le dépôt de couches atomiques et irradiation laser nanoseconde sur un système Ni-alumine et remplacé leur dépôt en phase vapeur physique et une plaque chauffante. Le résultat de nos travaux sur un système Ni-alumine a également montré un niveau acceptable de contrôle sur la morphologie de la surface après le démouillage15.

<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

Récentes avancées scientifiques dans l’utilisation des nanoparticules métalliques pour l’efficacité de conversion énergétique accrue, dispositif optique amélioré performance et stockage de données à haute densité ont démontré les bienfaits possibles de leur utilisation dans l’industrie applications. Ces applications nécessitent un contrôle précis de la taille de la nanoparticule, espacement et parfois la forme. Ces exigences ont conduit à l’utilisation du temps et coût des étapes de traitement intensif pour produire des nanoparticules, rendant ainsi la transition vers l’application industrielle irréaliste. Ce protocole permettra de résoudre ce problème en fournissant une méthode évolutive et abordable pour la production de la grande surface des nanoparticules films avec contrôle des nanoparticules améliorée par rapport aux techniques actuelles. Dans cet article, le processus sera démontré avec de l’or, mais les autres métaux peuvent également être utilisés.

Le protocole décrit ici a été utilisé pour plusieurs métaux et a démontré la capacité de produire des nanoparticules sur un substrat plus grande surface, avec taille réglable et leur espacement. La figure 1 montre le protocole avec des résultats représentatifs, montrant la capacité de contrôler l’espacement et la taille de la nanoparticule mécano. En suivant ce protocole, le résultat, qui est le film de nanoparticules fabriqué avec la taille...

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

Ce protocole détaille une nouvelle technique de nano-fabrication qui peut être utilisée pour faire des films de nanoparticules contrôlable et personnalisable sur de vastes étendues basées sur l’auto-assemblage de démouillage des films métalliques plafonnés.

Nanofabrication axée sur le substrat de grande surface des nanoparticules d’or contrôlables et personnalisables Via Démouillage plafonnés

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

Notre protocole fournit une technique pour personnaliser la distribution des nanoparticules, fabriquée sur un substrat, en modifiant la dynamique d’énurésie, sans changer l’épaisseur du matériau. Notre technique est simple, mais fournit toujours une gamme de tailles de particules. D’autres techniques là-bas nécessitent des étapes lithographiques étendues pour fournir le contrôle des particules.Notre contrôle de la distribution des particules fournit une technique de fabrication de nanoparticules qui profite à la recherche axée sur la conversion de l’énergie solaire, la création de dispositifs photoniques et l’augmentation de la densité du stockage des données. Portez une attention particulière aux épaisseurs de dépôt à chaque étape. Notre technique est extrêmement sensible aux épaisseurs des couches.Voir l’expérience effectuée fournit un niveau de détail qui ne peut pas être transmis dans l’impression. Il est essentiel de voir des exemples se déplacer tout au long du processus. Tout d’abord, nettoyez un dioxyde de silicium de 100 nanomètres sur le substrat de silicium, à l’aide d’un rinçage à l’acétone, suivi d’un rinçage à l’alcool isopropyle.Séchez le substrat à l’aide d’un jet de gaz azoté. Chargez le substrat dans un système d’évaporateur thermique et évacuez la chambre pour atteindre la pression désirée pour le dépôt du film métallique. Assurez-vous que la chambre est évacuée sous une pression de l’ordre de 10 à moins six torr pour l’enlèvement de l’air et de la vapeur d’eau dans la chambre.À l’aide du système d’évaporateur thermique, déposez le film d’or à l’épaisseur désirée, soit cinq nanomètres dans cette expérience. Au deuxième stade de dépôt, la pression d’argon est de un à cinq millitorres, et la portée est donnée car différentes pressions sont choisies pour calibrer le taux de dépôt. Notre technique est extrêmement sensible aux épaisseurs des films, comme le montrent nos résultats.Il est essentiel de calibrer les taux de dépôt avant de déposer les films, afin d’assurer des épaisseurs appropriées. Après dépôt, éventer la chambre et retirer le substrat, avec le film métallique déposé, du système d’évaporateur thermique. Ensuite, chargez le substrat, avec un film métallique déposé, dans un système de dépôt de pulvériser de magnétron à courant direct et évacuez pour atteindre la pression désirée pour le dépôt du film de plafonnement.Pour localiser l’échantillon dans le système, placez l’échantillon dans le verrou de charge. Et l’appareil transfère l’échantillon à la chambre de dépôt principale pour assurer un niveau suffisant de vide. Maintenant, déposez la couche de plafonnement du matériau et de l’épaisseur désirés, suivant une procédure et une condition similaires à celles du dépôt de la couche d’or.Avec une épaisseur variable Illumina, dans ce cas. Après le dépôt, éventez la chambre et retirez l’échantillon préparé du système de dépôt du pulvérisateur. Déposer le film en or à cinq nanomètres, recouvert d’illumine, sur une plaque chauffante préchauffée à 300 degrés Celsius, et laisser l’échantillon se désabrer pendant une heure.Étchez l’Illumina, tout en laissant l’or et le substrat sous-jacent avec une solution aqueuse d’hydroxyde d’ammonium et de peroxyde d’hydrogène à 80 degrés Celsius pendant une heure. Pour la caractérisation, préparez l’échantillon à être compatible avec le vide en rinçant avec de l’acétone et de l’alcool isopropylique. Ensuite, séchez l’échantillon à l’aide d’un flux de gaz azoté.Imagez les films de nanoparticules à l’aide de microscopie électronique à balayage sous vide élevé et à grossissement élevé. Effectuer une analyse d’image pour obtenir des informations sur la taille des nanoparticules et les distributions d’espacement. Le protocole décrit ici a été utilisé pour plusieurs métaux et a montré la capacité de produire des nanoparticules sur un substrat sur une grande surface, avec une taille contrôlable et l’espacement.Les résultats représentatifs sont montrés ici, et mettent en évidence la capacité de contrôler la taille et l’espacement fabriqués de nanoparticules. La taille et l’espacement des distributions du film nanoparticule fabriqué dépendront du métal, du substrat, du matériau de la couche de plafonnement, de l’épaisseur du métal et de l’épaisseur de la couche de plafonnement. À titre d’exemple, le film d’or de cinq nanomètres sur le dioxyde de silicium, avec l’épaisseur de la couche de plafonnement de l’oxyde d’aluminium de zéro, cinq, 10 et 20 nanomètres se traduira par un radii nanoparticule moyen de 14,2, 18,4, 17,3 et 15,6 nanomètres respectivement.Et un espacement non articuloparticule moyen de 36,9, 56,9, 51,3 et 47,2 nanomètres respectivement. Pour la distribution de particules souhaitée, un contrôle précis des épaisseurs de la couche de dépôt est essentiel. Selon l’application de vos films de nanoparticules, une plus grande caractérisation peut être nécessaire.Cela comprendrait des mesures basées sur l’application, comme l’absorption de la lumière et les propriétés magnétiques. Des études de films de nanoparticules en application peuvent être réalisées à l’aide de cette technique, afin de contrôler leur taille et leur distribution des particules. Les équipements de protection individuelle appropriés doivent être portés.Surtout ne pas entrer en contact avec les gravures. Évitez tout contact avec la plaque chaude.

Research

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Engineering

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