Een methode om Disconnected Silver Nanostructuren Vervaardig in 3D
Summary
Femtoseconde-laser direct-writing wordt vaak gebruikt om drie-dimensionale (3D) patronen te creëren in polymeren en glazen. Echter, patronen metalen in 3D blijft een uitdaging. We beschrijven een werkwijze voor het vervaardigen zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm.
Abstract
De standaard nanofabricage toolkit bevat technieken in de eerste plaats gericht zijn op het creëren van 2D patronen in diëlektrische media. Het maken van metalen patronen op een submicron schaal vereist een combinatie van nanofabricage gereedschappen en diverse materialen processtappen. Bijvoorbeeld, op een steenworp te creëren vlakke metalen structuren met behulp van ultraviolet fotolithografie en electron-beam lithografie kan monster blootstelling, steekproef ontwikkeling, metaalafzetting, en metalen lancering op te nemen. Om 3D-metalen structuren te creëren, wordt de volgorde meerdere malen herhaald. De complexiteit en de moeilijkheidsgraad van het stapelen en het afstemmen van meerdere lagen beperkt praktische implementaties van 3D-metalen structureren met behulp van standaard nanofabricage gereedschap. Femtoseconde-laser direct-writing heeft zich ontpopt als een bij uitstek techniek voor 3D-nanofabricage. 1,2 Femtoseconde lasers worden vaak gebruikt om 3D-patronen in polymeren en glazen te creëren. Drie-zeven echter 3D metaal met directe schrijven blijft een uitdaging. Hier, webeschrijven een methode om zilver nanostructuren ingesloten in een polymere matrix met een femtosecondelaser gecentreerd bij 800 nm fabriceren. De werkwijze maakt het vervaardigen van patronen niet mogelijk met andere technieken, zoals 3D arrays van losse zilver voxels. 8 Disconnected 3D metaalpatronen bruikbaar voor metamaterials wanneer eenheidscellen niet in contact met elkaar, 9 zoals gekoppelde metalen dot 10, 11 of gekoppelde metalen staaf 12,13 resonatoren. Mogelijke toepassingen zijn negatieve index metamaterialen, onzichtbaarheidsmantels, en een perfecte lenzen.
In femtoseconde-laser direct schrijven, wordt de lasergolflengte gekozen dat fotonen lineair niet geabsorbeerd in het doelmedium. Wanneer de laser pulsduur wordt gecomprimeerd tot de femtoseconde tijdschaal en de straling strak gericht in het doel, de extreem hoge intensiteit induceert lineaire absorptie. Fotonen worden geabsorbeerd gelijktijdigely tot elektronische overgangen die leiden tot materiële wijzigingen in het gericht regio veroorzaken. Met deze aanpak kan men vormen structuren in de bulk van een materiaal in plaats van op het oppervlak.
Het meeste werk op 3D directe metalen schrijven is gericht op het creëren zelfdragende metalen constructies. Veertien-zestien De hier beschreven methode levert sub-micrometer zilver structuren die niet hoeven te worden zelf ondersteund, omdat ze zijn ingebed in een matrix. Een gedoteerde polymeermatrix wordt bereid met een mengsel van zilvernitraat (AgNO 3), polyvinylpyrrolidon (PVP) en water (H2O). Monsters worden vervolgens patroon door bestraling met een 11-MHz femtosecondelaser die 50-fs pulsen. Tijdens de bestraling wordt fotoreductie van zilver-ionen opgewekt door middel van niet-lineaire absorptie, het creëren van een totaal van zilveren nanodeeltjes in het brandpunt regio. Met behulp van deze aanpak creëren we zilver patronen ingebed in een gedoteerde PVP-matrix. Toevoegen van 3D vertaling van de svoldoende breidt de patroon naar drie dimensies.
Protocol
Representative Results
Discussion
De sleutel tot het verkrijgen van een proces gedoteerde diëlektrische matrix die hoge resolutie fabricage mogelijk, maar niet snel afgebroken na bereiding. Een eenvoudige mengsel van PVP, AgNO 3 en H 2 O maakt het mogelijk een hoge resolutie zilver nanostructuren die zijn ingebed in een ondersteunende matrix. Het variëren van de PVP bij AgNO 3 ratio verandert de laser benodigde energie voor fabricage, en mogelijk andere eigenschappen zoals feature resolutie. Een laag ratio leidt tot sn…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij erkennen Paul JL Webster voor de 3D-weergave van optische gegevens met Amira. Phil Muñoz en Benjamin Franta die feedback op het manuscript in hun ontwikkeling. Het onderzoek beschreven in dit document werd ondersteund door de luchtmacht van het Wetenschappelijk Onderzoek in subsidies FA9550-09-1-0546 en FA9550-10-1-0402.
References
- von Freymann, G., et al. Three-Dimensional Nanostructures for Photonics. Advanced Functional Materials. 20, 1038-1052 (2010).
- LaFratta, C. N., Fourkas, J. T., Baldacchini, T., Farrer, R. A. Multiphoton Fabrication. Angewandte Chemie International Edition. 46, 6238-6258 (2007).
- Gattass, R. R., Mazur, E. Femtosecond laser micromachining in transparent materials. Nat. Photon. 2, 219-225 (2008).
- Li, L., Gattass, R. R., Gershgoren, E., Hwang, H., Fourkas, J. T. Achieving λ/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization. Science. 324, 910-913 (2009).
- Haske, W., et al. 65 nm feature sizes using visible wavelength 3-D multiphoton lithography. Opt. Express. 15, 3426-3436 (2007).
- Xing, J. F., et al. Improving spatial resolution of two-photon microfabrication by using photoinitiator with high initiating efficiency. Appl. Phys. Lett. 90, 131106 (2007).
- Tan, D., et al. Reduction in feature size of two-photon polymerization using SCR500. Appl. Phys. Lett. 90, 071106 (2007).
- Vora, K., Kang, S., Shukla, S., Mazur, E. Fabrication of disconnected three-dimensional silver nanostructures in a polymer matrix. Appl. Phys. Lett. 100, 063120 (2012).
- Güney, D. &. #. 2. 1. 4. ;., Koschny, T., Soukoulis, C. M. Intra-connected three-dimensionally isotropic bulk negative index photonic metamaterial. Opt. Express. 18, 12348-12353 (2010).
- Grigorenko, A. N., et al. Nanofabricated media with negative permeability at visible frequencies. Nat. Photon. 438, 335-338 (2005).
- Grigorenko, A. N. Negative refractive index in artificial metamaterials. Opt. Lett. 31, 2483-2485 (2006).
- Shalaev, V. M., et al. Negative index of refraction in optical metamaterials. Opt. Lett. 30, 3356-3358 (2005).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Magnetic excitation of magnetic resonance in metamaterials at far-infrared frequencies. Appl. Phys. Lett. 91, 113118 (2007).
- Tanaka, T., Ishikawa, A., Kawata, S. Two-photon-induced reduction of metal ions for fabricating three-dimensional electrically conductive metallic microstructure. Appl. Phys. Lett. 88, 081107 (2006).
- Ishikawa, A., Tanaka, T., Kawata, S. Improvement in the reduction of silver ions in aqueous solution using two-photon sensitive dye. Appl. Phys. Lett. 89, 113102 (2006).
- Cao, Y. -. Y., Takeyasu, N., Tanaka, T., Duan, X. -. M., Kawata, S. 3D Metallic Nanostructure Fabrication by Surfactant-Assisted Multiphoton-Induced Reduction. Small. 5, 1144-1148 (2009).
