Ordnade mönster av guldnanopartiklar på en kiselbas kan stimuleras för att producera kollektiva elektronvågor, kända som plasmoner som endast absorberar vissa smala band av ljus, vilket gör dem lovande för ett brett utbud av arrayer och displayteknologier inom medicin, industri, och vetenskap.

Materials Processing Center (MPC)-Center for Materials Science and Engineering (CMSE) Sommarforskare Justin Cheng arbetade i somras vid MIT professor i elektroteknik Karl K. Berggrens Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group för att utveckla specialiserade tekniker för att forma dessa mönster i guld på kisel . "Helst, vi skulle vilja kunna få arrayer av guldnanopartiklar att bli helt beställda, " säger Cheng, en stigande senior vid Rutgers University.

"Mitt arbete handlar om grunderna för hur man skriver ett mönster med elektronstrålelitografi, hur man sätter in guldet, och hur man värmer upp substratet så att vi kan få helt regelbundna arrayer av partiklar, " förklarar Cheng.

I MIT:s NanoStructures Laboratory, Cheng skrev kod för att producera ett mönster som styr avvätning av en tunn guldfilm till nanopartiklar, undersökte delvis ordnade rutnät med ett elektronmikroskop, och arbetade i ett rent rum för att utveckla en polymerresist, spinnbelägg resisten på prover, och plasmarengör proverna. Han är en del av ett team som inkluderar doktoranden Sarah Goodman och postdoktorn Mostafa Bedewy. Han fick också hjälp av NanoStructures Lab-chefen James Daley.

"Plasmoner är kollektiva svängningar av den fria elektrondensiteten vid ytan av ett material, och de ger metallnanostrukturer fantastiska egenskaper som är mycket användbara i applikationer som avkänning, optik och olika enheter, Goodman förklarade i en presentation för Summer Scholars i juni. "Plasmoniska arrayer är mycket bra för synliga skärmar, till exempel, eftersom deras färg kan ställas in baserat på storlek och geometri."

Denna flerstegs tillverkningsprocess börjar med spinnbeläggning av vätesilsesquioxan (HSQ), som är en speciell elektronstråleresist, eller mask, på ett kiselsubstrat. Cheng arbetade på programvara som användes för att skriva ett mönster på resisten genom elektronstrålelitografi. Till skillnad från vissa motstånd, HSQ blir mer kemiskt resistent när du utsätter det för elektronstrålar, han säger. Hela substratet är cirka 1 centimeter gånger 1 centimeter, han noterar, och skrivarean är cirka 100 mikron (eller 0,0001 centimeter) bred.

Efter elektronstrålelitografisteget, resisten sätts genom en vattenbaserad (vattenbaserad) framkallningslösning av natriumhydroxid och natriumklorid, som lämnar efter sig en ordnad rad stolpar ovanpå kiselskiktet. "När vi lägger provet i utvecklarlösningen, alla de mindre kemiskt resistenta områdena på HSQ-masken lossnar, och bara inläggen kvar, " säger Cheng. Sedan, Daley lägger ett guldlager ovanpå stolparna med fysisk ångavsättning. Nästa, provet värmebehandlas tills guldskiktet sönderfaller till droppar som självbildas till nanopartiklar styrda av stolparna.

Avvätning i fast tillstånd

Ett centralt underliggande materialvetenskapsfenomen som fungerar i denna självmontering, Cheng säger, är känt som avvätning i fast tillstånd. "Självmontering är en process där man tillämpar vissa villkor på ett material som gör att det kan genomgå en transformation över ett stort område. Så det är en mycket effektiv mönstringsteknik, " förklarar Goodman.

På grund av frånstötande interaktion mellan kisel- och guldskikten, guldet tenderar att bilda droppar, som kan lirkas in i mönster runt stolparna. Berggren-gruppen samarbetar med Carl V. Thompson, Stavros Salapatas professor i materialvetenskap och teknik och chefen för Material Processing Center, som är expert på avvätning i fast tillstånd. Med hjälp av ett svepelektronmikroskop, Cheng undersöker dessa mönster för att bestämma deras kvalitet och konsistens. "Guldet bildar naturligt droppar eftersom det finns en drivkraft för det att minska ytan som det delar med kislet. Det ser inte helt ordnat ut men man kan se början av en viss ordning i avvätningen, " han säger, medan du visar en SEM-bild på en dator. "[På] andra bilder kan du tydligt se början av mönstring."

"När vi tar posterna och gör dem närmare varandra, man kan se att guldet gillar att väta till något regelbundna mönster. Dessa är inte helt regelbundna i alla fall, men för vissa stolpstorlekar och avstånd, vi börjar se vanliga arrayer. Vårt mål är att framgångsrikt tillverka en plasmonisk array av beställda, monodispersa [lika stora] guldnanopartiklar, " säger Cheng.

Goodman noterar att Thompsons grupp har visat utsökt kontroll över avvätning i enkristallina filmer i mikronskala, men Berggren-gruppen hoppas kunna utöka denna kontroll ner till nanoskalan. "Detta kommer att vara ett riktigt nyckelresultat om vi kan ta med denna avvätning som är vackert kontrollerad på mikroskalan och möjliggöra det på nanoskala, säger Goodman.

Cheng säger att under sin sommarpraktik i Berggrens labb, han lärde sig att använda svepelektronmikroskopet och lärde sig om nanotillverkningsprocesser. "Jag har lärt mig mycket. Förutom labbarbetet som jag gör, Jag har skriptat för [LayoutEditor] CAD-programmet som jag använder, och jag har använt Matlab, för, " säger han. "Jag lärde mig faktiskt mycket om bildanalys eftersom det finns många steg som går in i bildanalys. Eftersom vi har så mycket data och så många bilder att analysera, Jag gör det kvantitativt och automatiskt för att se till att jag har repeterbarhet."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.