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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Riconosciamo il sostegno fornito dal fondo Core microscopia Utah State University per il risultato di SEM. Riconosciamo anche la National Science Foundation (Premio n. 162344) per DC Magnetron Sputtering System, la National Science Foundation (Premio n. 133792) per il (campo elettroni e ioni) FEI Quanta 650 e il dipartimento dell'energia, Università di energia nucleare Programma per il FEI Nova Nanolab 600.

Nota: La fabbricazione di grandi superfici di film controllabile e personalizzabile di nanoparticelle d'oro si ottiene seguendo il protocollo dettagliato. Il protocollo segue tre aree principali che sono la preparazione del substrato (1), (2) bagnabilità e acquaforte e (3) caratterizzazione.
1. preparazione del substrato
<ol><li>Pulire il substrato (100 nm SiO2 su Si) utilizzando un risciacquo di acetone seguito da un risciacquo di alcool isopropilico e poi asciugare con un fluss...

<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>

Il protocollo è un processo semplice e fattibile per un processo di nano-fabbricazione per la produzione di nanoparticelle su un substrato su vaste aree con caratteristiche controllabile. Il fenomeno dewetting, che conduce alla produzione di particelle, si basa sulla tendenza dello strato dewetted per raggiungere la minima energia di superficie. Il controllo sopra le dimensioni e la forma delle particelle è mirato con la deposizione di una seconda superficie sul livello principale per ottimizzare le energie superficial...

Fabbricazione di film di ampia superficie delle nanoparticelle è criticamente importante per l'adozione dei recenti progressi tecnologici nella conversione dell'energia solare e memorizzazione dei dati ad alta densità con l'uso di nanoparticelle plasmoniche1,2, 3 , 4 , 5. è interessante, le proprietà magnetiche di alcune di queste nanoparticelle plasmoniche, che forniscono queste nanoparticelle con la capacità di manipolare e controllare la luce su nanoscala. La controllabilità di luce fornisce la possibilità di aumentare l'assorbimento della superficie e luce allettamento della luce incidente su nanoscala. Basato su queste stesse proprietà e avendo la possibilità di avere le nanoparticelle in entrambi un magnetizzato e uno stato non magnetizzato, gli scienziati stanno anche definendo una nuova piattaforma per l'archiviazione di dati digitali ad alta densità. In ognuna di queste applicazioni, è fondamentale che una vasta area e nanofabbricazione conveniente tecnica è sviluppata che permette il controllo delle dimensioni delle nanoparticelle, la spaziatura e la forma.
Le tecniche disponibili per produrre nanoparticelle si basano principalmente su nanoscala Litografia, che hanno notevole scalabilità e costi problemi. Ci sono stati più diversi studi che hanno tentato di affrontare il problema di scalabilità di queste tecniche, ma fino ad oggi, nessun processo esiste che fornisce il livello di controllo necessario per la fabbricazione delle nanoparticelle ed è abbastanza efficace per tempi e costi adozione in applicazioni industriali6,7,8,9,10,11. Necessari alcuni recenti sforzi di ricerca migliorato la controllabilità del laser pulsato indotto bagnabilità (PLiD) e basati su modelli a stato solido dewetting12,13,14, ma hanno ancora significativi passaggi di litografia e così il problema di scalabilità.
In questo manoscritto, vi presentiamo il protocollo di un metodo di nanofabbricazione che affronterà il problema di scalabilità e costi che ha afflitto l'adozione e l'uso delle pellicole di nanoparticelle in applicazioni industriali molto diffuse. Questo metodo di lavorazione permette il controllo sulla dimensione delle nanoparticelle prodotte e spaziatura manipolando le energie superficiali che dettano l'auto-assemblaggio delle nanoparticelle formate. Qui, dimostriamo che l'uso di questa tecnica utilizzando un sottile strato di oro per produrre nanoparticelle d'oro, ma recentemente abbiamo pubblicato una versione leggermente diversa di questo metodo utilizzando una pellicola di nichel e così questa tecnica può essere utilizzata con qualsiasi metallo desiderato. L'obiettivo di questo metodo è quello di produrre film di nanoparticelle, riducendo al minimo i costi e la complessità del processo e così abbiamo modificato il nostro approccio precedente, che ha usato la deposizione di strati atomici e irradiazione laser nanosecondo su un sistema Ni-allumina e sostituito li con deposizione fisica da vapore e un piatto caldo. Il risultato del nostro lavoro su un sistema Ni-allumina inoltre ha mostrato un livello accettabile di controllo sulla morfologia della superficie dopo il 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

Recenti progressi scientifici nell'utilizzazione di nanoparticelle metalliche per miglioramento dell'efficienza di conversione, le prestazioni del dispositivo ottico migliorato e memorizzazione dei dati ad alta densità hanno dimostrato il beneficio potenziale del loro utilizzo in campo industriale applicazioni. Queste applicazioni richiedono un controllo preciso sulla dimensione delle nanoparticelle, spaziatura e a volte forma. Questi requisiti hanno portato all'utilizzo di tempo e costo passaggi di elaborazione intensiva per produrre nanoparticelle, rendendo così la transizione all'applicazione industriale irrealistico. Questo protocollo si risolverà questo problema fornendo un metodo scalabile e accessibile per la produzione di grandi superfici di nanoparticella film migliorata nanoparticella controllo rispetto alle attuali tecniche. In questo articolo, il processo sarà dimostrato con l'oro, ma possono essere utilizzati anche altri metalli.

Il protocollo descritto qui è stato utilizzato per i metalli più e ha dimostrato la capacità di produrre nanoparticelle su un substrato su vasta area, con dimensione controllabile e spaziatura. La figura 1 Mostra il protocollo con risultati rappresentativi, mostrando la capacità di controllare la dimensione di nanoparticelle fabbricato e spaziatura. Quando in seguito questo protocollo, il risultato, che è il film di nanoparticelle fabbricato con dimensio...

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

Questo protocollo dettaglia una tecnica novella di nano-fabbricazione che può essere utilizzata per fare film di nanoparticelle controllabile e personalizzabile su grandi superfici, basati sull'auto-assemblaggio di bagnabilità di film metallici ricoperti.

Grande Area nanofabbricazione di substrato a base di nanoparticelle di oro controllabile e personalizzabile tramite ridotta bagnabilità

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

Il nostro protocollo fornisce una tecnica per personalizzare la distribuzione delle nanoparticelle, fabbricate su un substrato, con la modifica della dinamica di dewetting, senza modificare lo spessore del materiale. La nostra tecnica è semplice, ma fornisce ancora una gamma di dimensioni delle particelle. Altre tecniche là fuori richiedono ampi passaggi litografici per fornire il controllo delle particelle.Il nostro controllo della distribuzione delle particelle fornisce una tecnica per la fabbricazione di nanoparticelle che avvantaggia la ricerca incentrata sulla conversione dell'energia solare, sulla creazione di dispositivi fotonici e sull'aumento della densità di archiviazione dei dati. Prestare molta attenzione agli spessori di deposizione in ogni fase. La nostra tecnica è estremamente sensibile agli spessori dello strato.Vedere l'esperimento eseguito fornisce un livello di dettaglio che non può essere trasportato in stampa. Vedere esempi muoversi durante tutto il processo è essenziale. In primo luogo, pulire un biossido di silicio di 100 nanometri sul substrato di silicio, utilizzando un risciacquo di acetone, seguito da un risciacquo alcolico isopropile.Asciugare il substrato utilizzando un flusso di gas azoto. Caricare il substrato in un sistema di evaporatore termico ed evacuare la camera per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione del film metallico. Assicurarsi che la camera venga evacuata a una pressione dell'ordine di 10 a meno sei torr per la rimozione dell'aria e del vapore acqueo nella camera.Utilizzando il sistema di evaporatore termico, depositare il film d'oro allo spessore desiderato, che è di cinque nanometri in questo esperimento. Nelle seconde fasi di deposizione, la pressione dell'argon è da uno a cinque millitorr, e l'intervallo è dato poiché diverse pressioni vengono scelte per calibrare per la velocità di deposizione. La nostra tecnica è estremamente sensibile agli spessori del film, come dimostrato nei nostri risultati.È fondamentale calibrare i tassi di deposizione prima di depositare le pellicole, per garantire spessori appropriati. Dopo la deposizione, sfiatare la camera e rimuovere il substrato, con la pellicola metallica depositata, dal sistema di evaporatore termico. Successivamente, caricare il substrato, con una pellicola metallica depositata, in un sistema di deposizione dello sputter magnetron a corrente diretta ed evacuare per raggiungere la pressione desiderata per la deposizione del film di tappatura.Per individuare il campione nel sistema, inserire il campione nel blocco di carico. E il dispositivo trasferisce il campione alla camera di deposizione principale per garantire un livello sufficiente di vuoto. Ora, deposita lo strato di tappatura del materiale e dello spessore desiderati, seguendo una procedura e condizioni simili alla deposizione dello strato d'oro.Con spessore variabile Illumina, in questo caso. Dopo la deposizione, sfiatare la camera e rimuovere il campione preparato dal sistema di deposizione dello sputter. Posizionare la pellicola d'oro di cinque nanometri, condita con Illumina, su una piastra calda preriscaldata a 300 gradi Celsius e lasciare che il campione diswet per un'ora.Incidere l'Illumina, lasciando l'oro e il substrato sottostante con una soluzione acquosa di idrossido di ammonio e perossido di idrogeno a 80 gradi Celsius per un'ora. Per la caratterizzazione, preparare il campione per essere compatibile con il vuoto risciacquando con acetone e alcol isopropile. Quindi, asciugare il campione utilizzando un flusso di gas azoto.Immagini le pellicole di nanoparticelle usando la microscopia elettronica a scansione sotto alto vuoto e ad alto ingrandimento. Eseguire l'analisi delle immagini per ottenere informazioni sulle dimensioni delle nanoparticelle e sulle distribuzioni di spaziatura. Il protocollo qui descritto è stato utilizzato per più metalli e ha dimostrato la capacità di produrre nanoparticelle su un substrato su vasta area, con dimensioni e spaziatura controllabili.Qui vengono mostrati risultati rappresentativi ed evidenzia la capacità di controllare le dimensioni e la spaziatura delle nanoparticelle fabbricate. Le dimensioni e le distribuzioni di spaziatura del film di nanoparticella fabbricato dipenderanno dal metallo, dal substrato, dal materiale dello strato di tappatura, dallo spessore del metallo e dallo spessore dello strato di tappatura. Ad esempio, la pellicola d'oro di cinque nanometri sul biossido di silicio, con uno spessore dello strato di ossido di alluminio pari a zero, cinque, 10 e 20 nanometri, si traducono in una radiazione media di nanoparticelle rispettivamente di 14,2, 18,4, 17,3 e 15,6 nanometri.E una spaziatura media non particellare rispettivamente di 36,9, 56,9, 51,3 e 47,2 nanometri. Per la distribuzione delle particelle desiderata, è fondamentale un controllo accurato degli spessori dello strato di deposizione. A seconda dell'applicazione delle pellicole di nanoparticelle, potrebbe essere necessaria una maggiore caratterizzazione.Ciò includerebbe misurazioni basate sull'applicazione, come l'assorbimento della luce e le proprietà magnetiche. Gli studi sulle pellicole di nanoparticelle in applicazione possono essere eseguiti usando questa tecnica, per controllarne la dimensione e la distribuzione delle particelle. Devono essere indossati adeguati dispositivi di protezione individuale.Soprattutto non entrare in contatto con le incisioni. Evitare il contatto con la piastra calda.

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