Forskere laver tynde film af nanopartikler, der samler sig på et minut

De dage, hvor selvsamlende nanopartikler tog timer at danne en film over en wafer i mikroskopisk størrelse, er forbi. Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory har udtænkt en teknik, hvorved selvsamlende nanopartikelarrays kan danne en meget ordnet tynd film over makroskopiske afstande på et minut.

Ting Xu, en polymerforsker hos Berkeley Labs afdeling for materialevidenskab, ledet en undersøgelse, hvor supramolekyler baseret på blokcopolymerer blev kombineret med guldnanopartikler for at skabe nanokompositter, der under opløsningsmiddelglødning hurtigt selvsamles til hierarkisk strukturerede tynde film, der spænder over et areal på flere kvadratcentimeter. Teknikken er kompatibel med nuværende nanofremstillingsprocesser og har potentialet til at generere nye familier af optiske belægninger til applikationer på en lang række områder, herunder solenergi, nanoelektronik og computerhukommelse. Denne teknik kunne endda åbne nye veje til fremstilling af metamaterialer, kunstige nanokonstruktioner, der besidder bemærkelsesværdige optiske egenskaber.

"Vores teknik kan hurtigt generere fantastiske nanopartikelsamlinger over områder så store som en siliciumskive, " siger Xu, som også har en fælles aftale med University of California (UC) Berkeleys afdelinger for materialevidenskab og teknik, og kemi. "Du kan tænke på det som pandekagedej, som du kan fordele over en bageplade, vent et minut, og du har en pandekage klar til at spise. "

Xu er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i Naturkommunikation med titlen "Hurtig fremstilling af hierarkisk strukturerede supramolekylære nanokomposit tynde film på et minut." Medforfattere er Joseph Kao, Kari Thorkelsson, Peter Bai, Zhen Zhang og Cheng Sun.

Nanopartikler fungerer som kunstige atomer med unikke optiske, elektriske og mekaniske egenskaber. Hvis nanopartikler kan induceres til selvsamling til komplekse strukturer og hierarkiske mønstre, svarende til hvad naturen gør med proteiner, det ville muliggøre masseproduktion af enheder, der er tusind gange mindre end dem, der bruges i nutidens mikroteknologi.

Xu og hendes forskergruppe er støt fremme mod dette ultimative mål. Senest har deres fokus været på brugen af ​​blok-copolymer-baserede supramolekylære løsninger til at styre selvsamlingen af ​​nanopartikel-arrays. Et supramolekyle er en gruppe molekyler, der fungerer som et enkelt molekyle, der er i stand til at udføre et bestemt sæt funktioner. Blokcopolymerer er lange sekvenser eller "blokke" af én type monomer bundet til blokke af en anden type monomer, som har en medfødt evne til selv at samle sig til veldefinerede arrays af strukturer i nanostørrelse over makroskopiske afstande.

"Blok-copolymer-baserede supramolekyler samler sig selv og danner en bred vifte af morfologier, der har mikrodomæner, der typisk er nogle få til titusinder af nanometer i størrelse, "Xu siger." Da deres størrelse er sammenlignelig med nanopartikler, mikrodomænerne af supramolekyler giver en ideel strukturel ramme til selvsamling af nanopartikel-arrays."

I den supramolekylære teknik udtænkt af Xu og hendes kolleger, arrays af guldnanopartikler blev inkorporeret i opløsninger af supramolekyler for at danne film, der var omkring 200 nanometer tykke. Gennem opløsningsmiddelglødning, ved at bruge chloroform som opløsningsmiddel, nanopartikelarraysne organiseret i tredimensionelle cylindriske mikrodomæner, der blev pakket i forvrængede sekskantede gitter i parallel orientering med overfladen. Denne visning af hierarkisk strukturel kontrol i selvmontering af nanopartikler var imponerende, men var kun halvdelen af ​​spillet.

"For at være kompatibel med nanofremstillingsprocesser, selvsamlende fabrikationsprocessen skal også afsluttes inden for få minutter for at minimere enhver forringelse af nanopartikelegenskaber forårsaget af eksponering for procesmiljøet, " siger Xu.

Hun og hendes gruppe analyserede systematisk termodynamikken og kinetikken af ​​selvsamling i deres supramolekylære nanokomposit tynde film efter eksponering for opløsningsmiddeldamp. De fandt ud af, at ved at optimere en enkelt parameter, mængden af ​​opløsningsmiddel, samlingskinetik kunne præcist skræddersyes til at producere hierarkisk strukturerede tynde film på et enkelt minut.

"Ved at konstruere vores blokcopolymerbaserede supramolekyler af små molekyler, der ikke er kovalent bundet til polymersidekæder, vi ændrede energilandskabet, så opløsningsmiddelindhold blev den vigtigste faktor, "Xu siger." Dette gjorde det muligt for os at opnå hurtig bestilling af nanopartikelarrays med tilføjelse af kun en meget lille mængde opløsningsmiddel, omkring 30 procent af brøkdelen af ​​en 200 nanometer tyk film. "

De optiske egenskaber af nanokomposit tynde film afhænger af egenskaberne af individuelle nanopartikler og af veldefinerede inter-partikel afstande langs forskellige retninger. I betragtning af at dimensionerne af guld -nanopartikel -arrays er mindst en størrelsesorden mindre end bølgelængderne af synligt lys, Xu og hendes kollegers supramolekylære teknik har et stærkt potentiale til at blive brugt til fremstilling af metamaterialer. Disse kunstige materialer har fået stor opmærksomhed i de senere år, fordi deres elektromagnetiske egenskaber er uopnåelige i naturlige materialer. For eksempel, et metamateriale kan have et negativt brydningsindeks, evnen til at bøje lys bagud, i modsætning til alle materialer, der findes i naturen, som bøjer lys fremad.

"Vores guld nanokomposit tynde film udviser stærk bølgelængdeafhængig optisk anisotropi, der kan skræddersyes blot ved at variere opløsningsmiddelbehandlingen, " siger Xu. "Dette præsenterer et levedygtigt alternativ til litografi til fremstilling af metamaterialer."

Mens Xu og hendes kolleger brugte guld nanopartikler i deres film, den supramolekylære tilgang er også kompatibel med nanopartikler af andre kemiske sammensætninger.

"Vi burde være i stand til at skabe et bibliotek af nanopartikelsamlinger, der er konstrueret til lysmanipulation og andre egenskaber, " Xu siger, "ved hjælp af en teknik, der er kompatibel med nutidens mest udbredte nanofremstillingsprocesser, inklusive bladbelægning, blækstråleudskrivning og dynamisk zoneudglødning."