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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Reconhecemos o apoio da instalação de núcleo de microscopia na Utah State University para o resultado de SEM. Também reconhecemos a National Science Foundation (prêmio #162344) para o sistema de Sputtering do magnétron de DC, a National Science Foundation (prêmio #133792) para a (campo de elétrons e íons) FEI Quanta 650 e o departamento de energia, Universidade de Energia Nuclear Programa para o FEI Nova Nanolab 600.

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
<ol><li>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.</li>
	<li>Carre...

<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>

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, ...

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 plasmônico1,2, 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 dewetting12,13,14, 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.

<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

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.

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...

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

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.

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

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

Nosso protocolo fornece uma técnica para personalizar a distribuição de nanopartículas, fabricada em um substrato, com a alteração da dinâmica de dewetting, sem alterar a espessura do material. Nossa técnica é simples, mas ainda fornece uma gama de tamanhos de partículas. Outras técnicas lá fora requerem extensas etapas litográficas para fornecer o controle de partículas.Nosso controle da distribuição de partículas fornece uma técnica para fabricação de nanopartículas que beneficia pesquisas focadas na conversão de energia solar, criação de dispositivos fotônicos e aumento da densidade de armazenamento de dados. Preste muita atenção às espessuras do depoimento em cada passo. Nossa técnica é extremamente sensível à espessura da camada.Ver o experimento realizado fornece um nível de detalhe que não pode ser transmitido impresso. Ver exemplos se movendo ao longo do processo é essencial. Primeiro, limpe um dióxido de silício de 100 nanômetros no substrato de silício, usando uma enxágue de acetona, seguido de uma lavagem de álcool isopropílico.Seque o substrato usando um fluxo de gás nitrogênio. Carregue o substrato em um sistema evaporador térmico e evacue a câmara para alcançar a pressão desejada para a deposição da filme de metal. Certifique-se de que a câmara seja evacuada para uma pressão sobre a ordem de 10 a 6 torr menos para a remoção de ar e vapor de água na câmara.Usando o sistema evaporador térmico, deposite a película de ouro na espessura desejada, que é de cinco nanômetros neste experimento. Nos estágios de segundo depoimento, a pressão de argônio é de um a cinco militorr, e o alcance é dado à medida que diferentes pressões são escolhidas para calibrar para a taxa de deposição. Nossa técnica é extremamente sensível às espessuras do filme, como mostrado em nossos resultados.É fundamental calibrar as taxas de deposição antes de depositar os filmes, para garantir espessuras apropriadas. Após o depoimento, desabafe a câmara e remova o substrato, com a película metálica depositada, do sistema evaporador térmico. Em seguida, carregue o substrato, com uma película de metal depositada, em um sistema de deposição magnetron sputter de corrente direta e evacue para alcançar a pressão desejada para deposição do filme de capping.Para localizar a amostra no sistema, coloque a amostra no bloqueio de carga. E o dispositivo transfere a amostra para a câmara de deposição principal para garantir um nível suficiente de vácuo. Agora, deposite a camada de tampa do material e espessura desejados, seguindo um procedimento e condição semelhantes ao deposição da camada de ouro.Com espessura variável Illumina, neste caso. Após o depoimento, desabase a câmara e remova a amostra preparada do sistema de deposição sputter. Coloque a película de ouro de cinco nanômetros, tampada com Illumina, em uma placa quente pré-aquecida a 300 graus Celsius, e permita que a amostra dewet por uma hora.Etch a Luminária, deixando o ouro e o substrato subjacente com uma solução aquosa de hidróxido de amônio e peróxido de hidrogênio a 80 graus Celsius por uma hora. Para caracterização, prepare a amostra para ser compatível com vácuo enxaguando com acetona e álcool isopropílico. Em seguida, seque a amostra usando um fluxo de gás nitrogênio.Imagem os filmes de nanopartículas usando microscopia eletrônica de varredura sob alto vácuo e em alta ampliação. Realize a análise de imagens para obter informações sobre o tamanho das nanopartículas e distribuições de espaçamento. O protocolo descrito aqui foi usado para múltiplos metais e mostrou a capacidade de produzir nanopartículas em um substrato sobre grande área, com tamanho controlável e espaçamento.Os resultados representativos são mostrados aqui, e destacam a capacidade de controlar o tamanho e o espaçamento de nanopartículas fabricadas. As distribuições de tamanho e espaçamento da peculato de nanopartículas fabricadas dependerão do metal, do substrato, do material da camada de tampa, da espessura metálica e da espessura da camada de tampa. Como exemplo, a película de ouro de cinco nanômetros em dióxido de silício, com espessura da camada de cobertura de óxido de alumínio de zero, cinco, 10 e 20 nanômetros resulta em um raio médio de nanopartículas de 14,2, 18,4, 17,3 e 15,6 nanômetros, respectivamente.E um espaçamento nonoparticle médio de 36,9, 56,9, 51,3 e 47,2 nanômetros, respectivamente. Para a distribuição de partículas desejada, o controle preciso das espessuras da camada de deposição é crítico. Dependendo da aplicação de seus filmes de nanopartículas, mais caracterização pode ser necessária.Isso incluiria medidas baseadas em aplicativos, como absorção de luz e propriedades magnéticas. Estudos de nanopartículas em aplicação podem ser realizados usando essa técnica, para controlar seu tamanho e distribuição de partículas. Equipamentos de proteção individual apropriados devem ser usados.Especialmente não entre em contato com as gravuras. Evite contato com a placa quente.

Research

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