Ein Verfahren zur Getrennt Silber Nanostrukturen in 3D Fabricate
Summary
Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben wird häufig verwendet, um dreidimensionale (3D) Strukturen in Polymeren und Gläsern zu schaffen. Allerdings bleibt Strukturierung Metallen in 3D eine Herausforderung. Wir beschreiben ein Verfahren zum Herstellen Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix durch einen Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebettet.
Abstract
Der Standard Nanofabrikation Toolkit umfasst Techniken in erster Linie an die Erstellung von 2D-Muster in dielektrischen Medien abzielen. Erstellen Metall Muster auf einem Submikrometerbereich erfordert eine Kombination von Nanofabrikation Tools und mehrere Material Verarbeitungsschritte. Zum Beispiel, Schritte zum Erstellen planaren Metall-Strukturen mit UV Photolithographie und Elektronenstrahl-Lithographie können Sample Exposition, Probe Entwicklung, Metallabscheidung und Metall liftoff gehören. Um 3D-Metall-Strukturen zu schaffen, wird die Sequenz mehrere Male wiederholt. Die Komplexität und die Schwierigkeit, Stapeln und Ausrichten mehreren Schichten begrenzt praktische Implementierungen von 3D-Metall-Strukturierung mit Standard Nanofabrikation Tools. Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreiben als eine herausragende Technik für 3D Nanofabrikation entstanden. 1,2 Femtosekunden-Laser werden häufig verwendet, um 3D-Muster in Polymeren und Gläsern zu schaffen. 3-7 jedoch, 3D Metall-direct-Schreiben bleibt eine Herausforderung. Hier haben wirbeschreiben ein Verfahren zu Silber Nanostrukturen in einer Polymermatrix mit einem Femtosekunden-Laser bei 800 nm zentriert eingebetteten herzustellen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Mustern nicht durchführbar unter Verwendung anderer Techniken, wie z. B. 3D-Arrays getrennt Silber Voxeln. 8 Disconnected 3D Metallstrukturen sind Metamaterialien wo Elementarzellen sind nicht in Kontakt miteinander, 9 wie gekoppelten Metalls dot 10 nützlich, 11 oder gekoppelten Metallstab 12,13 Resonatoren. Potenzielle Anwendungen sind negativer Index Metamaterialien, Unsichtbarkeitsmäntel und perfekte Linsen.
Im Femtosekunden-Laser-Direkt-Schreibens wird die Laserwellenlänge gewählt, dass Photonen nicht linear in das Zielmedium absorbiert. Wenn der Laser Impulsdauer zur Femtosekundenzeitskala komprimiert und die Strahlung dicht innerhalb des Targets fokussiert, induziert die extrem hohe Intensität nichtlinearen Absorption. Mehrere Photonen absorbiert gleichzeitigely, um elektronische Übergänge, die wesentliche Änderung im Fokus Region führen verursachen. Mit diesem Ansatz kann ein Strukturen in der Masse eines Materials, anstatt auf seiner Oberfläche zu bilden.
Die meiste Arbeit auf 3D direkte Metall-Schreibgeräte hat auf die Schaffung self-supported Metall Strukturen. 14-16 Die hier beschriebene Methode ergibt Sub-Mikrometer-silber Strukturen, die nicht brauchen, um sich selbst nicht unterstützt, da sie innerhalb einer Matrix eingebettet sind. Dotiertes Polymermatrix hergestellt wird unter Verwendung einer Mischung von Silbernitrat (AgNO 3), Polyvinylpyrrolidon (PVP) und Wasser (H 2 O). Die Proben werden dann durch Bestrahlung mit einem 11-MHz Femtosekundenlaser Herstellung 50-fs-Pulse gemustert. Während der Bestrahlung wird Photoreduktion von Silberionen durch nichtlineare Absorption induziert, wodurch ein Aggregat von Silber-Nanopartikeln im Fokusbereich. Mit diesem Ansatz schaffen wir silberne Muster in einem dotierten PVP-Matrix eingebettet. Hinzufügen von 3D-Übersetzung des sausreichend erweitert die Strukturierung auf drei Dimensionen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Schlüssel für den Prozess wird Erhalten eines dotierten dielektrischen Matrix, die Hochauflösung Fertigung ermöglicht, aber nicht bald nach der Herstellung verschlechtern. Eine einfache Mischung aus PVP, AgNO 3 und H 2 O ermöglicht die Erstellung von hochauflösenden Silber Nanostrukturen, die in einem Support-Matrix eingebettet sind. Variieren des PVP an AgNO 3-Verhältnis ändert die Laserenergie für die Herstellung erforderlich, und möglicherweise andere Eigenschaften wie M…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir anerkennen Paul JL Webster für die 3D-Rendering von optischen Daten mit Amira. Phil Muñoz und Benjamin Franta Rückmeldungen auf das Manuskript im Laufe seiner Entwicklung. Die Forschung in diesem Papier beschrieben wurde von der Air Force Office of Scientific Research unter Zuschüsse FA9550-09-1 bis 0546 und FA9550-10-1 bis 0402 unterstützt.
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).
