Geordende patronen van gouden nanodeeltjes op een siliciumbasis kunnen worden gestimuleerd om collectieve elektronengolven te produceren, bekend als plasmonen die alleen bepaalde smalle lichtbanden absorberen, waardoor ze veelbelovend zijn voor een breed scala aan arrays en weergavetechnologieën in de geneeskunde, industrie, en wetenschap.

Materials Processing Center (MPC)-Center for Materials Science and Engineering (CMSE) Zomerwetenschapper Justin Cheng werkte deze zomer in MIT-hoogleraar elektrotechniek Karl K. Berggren's Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group om gespecialiseerde technieken te ontwikkelen voor het vormen van deze patronen in goud op silicium . "Ideaal, we willen dat reeksen gouden nanodeeltjes volledig kunnen worden besteld, " zegt Chen, een stijgende senior aan de Rutgers University.

"Mijn werk gaat over de basisprincipes van het schrijven van een patroon met behulp van elektronenstraallithografie, hoe het goud te deponeren, en hoe we het substraat kunnen opwarmen zodat we volledig regelmatige reeksen deeltjes kunnen krijgen, " legt Chen uit.

In het NanoStructures-laboratorium van MIT, Cheng schreef code om een ​​patroon te produceren dat het ontvochtigen van een dunne goudfilm in nanodeeltjes zal leiden, onderzocht gedeeltelijk geordende roosters met een elektronenmicroscoop, en werkte in een cleanroom om een ​​polymeerresist te ontwikkelen, spin coat de resist op monsters, en maak de monsters schoon met plasma. Hij maakt deel uit van een team dat bestaat uit student Sarah Goodman en postdoctoraal medewerker Mostafa Bedewy. Hij werd ook bijgestaan ​​door de NanoStructures Lab-manager James Daley.

"Plasmons zijn collectieve oscillaties van de dichtheid van vrije elektronen aan het oppervlak van een materiaal, en ze geven metalen nanostructuren verbazingwekkende eigenschappen die zeer nuttig zijn in toepassingen zoals sensing, optica en verschillende apparaten, " legde Goodman uit in een presentatie aan Summer Scholars in juni. "Plasmonische arrays zijn erg goed voor zichtbare displays, bijvoorbeeld, omdat hun kleur kan worden afgestemd op maat en geometrie."

Dit fabricageproces in meerdere stappen begint met spincoating van waterstofsilsesquioxaan (HSQ), wat een speciale elektronenstraalresist is, of masker, op een siliciumsubstraat. Cheng werkte aan software die werd gebruikt om een ​​patroon op de resist te schrijven door middel van elektronenstraallithografie. In tegenstelling tot sommige weerstanden, HSQ wordt chemisch resistenter naarmate je het blootstelt aan elektronenstralen, hij zegt. Het hele substraat is ongeveer 1 centimeter bij 1 centimeter, hij merkt op, en het schrijfgebied is ongeveer 100 micron (of 0,0001 centimeter) breed.

Na de elektronenstraallithografiestap, de resist wordt door een waterige (op water gebaseerde) ontwikkelaaroplossing van natriumhydroxide en natriumchloride gebracht, die een geordende reeks berichten achterlaat bovenop de siliciumlaag. "Als we het voorbeeld in de ontwikkelaarsoplossing plaatsen, alle minder chemisch resistente delen van het HSQ-masker komen los, en alleen de posten blijven, " zegt Cheng. Dan, Daley deponeert een goudlaag bovenop de palen met fysieke dampafzetting. Volgende, het monster wordt met warmte behandeld totdat de goudlaag uiteenvalt in druppeltjes die zichzelf assembleren tot nanodeeltjes geleid door de palen.

Ontvochtiging in vaste toestand

Een belangrijk onderliggend materiaalwetenschappelijk fenomeen aan het werk in deze zelfassemblage, Chen zegt, staat bekend als ontvochtiging in vaste toestand. "Zelfassemblage is een proces waarbij je bepaalde voorwaarden toepast op een materiaal waardoor het een transformatie over een groot gebied kan ondergaan. Het is dus een zeer efficiënte patroontechniek, ’ legt Goeman uit.

Vanwege de afstotende interactie tussen de silicium- en goudlagen, het goud heeft de neiging om druppeltjes te vormen, die in patronen rond de posten kunnen worden overgehaald. De Berggren-groep werkt samen met Carl V. Thompson, de Stavros Salapatas hoogleraar Materials Science and Engineering en de directeur van het Materials Processing Center, die een expert is in het ontvochtigen in vaste toestand. Met behulp van een scanning elektronenmicroscoop, Cheng onderzoekt deze patronen om hun kwaliteit en consistentie te bepalen. "Het goud vormt van nature druppeltjes omdat er een drijvende kracht voor is om het oppervlak dat het deelt met het silicium te verkleinen. Het ziet er niet volledig geordend uit, maar je kunt een begin van enige orde zien in het ontvochtigen, " hij zegt, terwijl u een SEM-afbeelding op een computer laat zien. "[In] andere foto's kun je duidelijk het begin van patronen zien."

"Als we de palen pakken en ze dichter bij elkaar brengen, je kunt zien dat het goud graag ontvochtigt in enigszins regelmatige patronen. Deze zijn niet in alle gevallen helemaal regelmatig, maar voor bepaalde postformaten en spaties, we beginnen regelmatige arrays te zien. Ons doel is om met succes een plasmonische reeks van geordende, monodisperse [even grote] gouden nanodeeltjes, ' zegt Chen.

Goodman merkt op dat Thompson's groep voortreffelijke controle heeft getoond over ontvochtiging in enkelkristallijne films op micronschaal, maar de Berggren-groep hoopt deze controle uit te breiden tot op nanoschaal. "Dit zal een heel belangrijk resultaat zijn als we deze ontvochtiging kunnen brengen die prachtig wordt gecontroleerd op microschaal en dat mogelijk maken op nanoschaal, ' zegt Goedman.

Cheng zegt dat tijdens zijn zomerstage in het laboratorium van Berggren, hij leerde de scanning-elektronenmicroscoop bedienen en leerde over nanofabricageprocessen. "Ik heb veel geleerd. Afgezien van het laboratoriumwerk dat ik doe, Ik ben aan het scripten geweest voor het [LayoutEditor] CAD-programma dat ik gebruik, en ik gebruik Matlab, te, "zegt hij. "Ik heb eigenlijk veel geleerd over beeldanalyse, omdat er veel stappen in beeldanalyse zitten. Omdat we zoveel gegevens en zoveel afbeeldingen hebben om te analyseren, Ik doe het kwantitatief en automatisch om ervoor te zorgen dat ik herhaalbaar ben."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.