Små guldgitter, der giver hemmeligheder

Ordnede mønstre af guldnanopartikler på en siliciumbase kan stimuleres til at producere kollektive elektronbølger kendt som plasmoner, der kun absorberer visse smalle bånd af lys, gør dem lovende for en bred vifte af arrays og displayteknologier inden for medicin, industri, og videnskab.

Materials Processing Center (MPC)-Center for Materials Science and Engineering (CMSE) Sommerforsker Justin Cheng arbejdede i sommer i MIT professor i elektroteknik Karl K. Berggrens Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group for at udvikle specialiserede teknikker til at danne disse mønstre i guld på silicium . "Ideelt set vi vil gerne være i stand til at få arrays af guld-nanopartikler til at blive fuldstændigt bestilt, " siger Cheng, en stigende senior ved Rutgers University.

"Mit arbejde omhandler det grundlæggende i, hvordan man skriver et mønster ved hjælp af elektronstråle litografi, hvordan man deponerer guldet, og hvordan man opvarmer substratet, så vi kan få helt regelmæssige grupper af partikler, "Forklarer Cheng.

I MIT's NanoStructures Laboratory, Cheng skrev kode for at producere et mønster, der vil lede affugtningen af ​​en tynd guldfilm til nanopartikler, undersøgt delvist ordnede gitter med et elektronmikroskop, og arbejdede i et rent rum for at udvikle en polymerresist, spin coat resisten på prøver, og plasmarens prøverne. Han er en del af et team, der omfatter kandidatstuderende Sarah Goodman og postdoc-medarbejder Mostafa Bedewy. Han blev også assisteret af NanoStructures Lab-leder James Daley.

"Plasmoner er kollektive svingninger af fri-elektrondensiteten ved overfladen af ​​et materiale, og de giver metal nanostrukturer fantastiske egenskaber, der er meget nyttige i applikationer som sansning, optik og forskellige enheder, Goodman forklarede i en præsentation til Summer Scholars i juni. "Plasmoniske arrays er meget gode til synlige skærme, for eksempel, fordi deres farve kan indstilles baseret på størrelse og geometri."

Denne fremstillingsproces i flere trin begynder med spincoating hydrogen silsesquioxane (HSQ), som er en særlig elektronstrålemodstand, eller maske, på et siliciumsubstrat. Cheng arbejdede på software, der blev brugt til at skrive et mønster på resisten gennem elektronstrålelitografi. I modsætning til nogle modstandere, HSQ bliver mere kemisk resistent, når du udsætter det for elektronstråler, han siger. Hele underlaget er omkring 1 centimeter gange 1 centimeter, han bemærker, og skriveområdet er omkring 100 mikron (eller 0,0001 centimeter) bredt.

Efter elektronstrålelitografitrinnet, resisten føres gennem en vandig (vandbaseret) fremkalderopløsning af natriumhydroxid og natriumchlorid, som efterlader en ordnet række af stolper oven på siliciumlaget. "Når vi lægger prøven i udviklerløsningen, alle de mindre kemisk resistente områder af HSQ-masken kommer af, og kun posterne er tilbage, " siger Cheng. Så Daley afsætter et guldlag oven på stolperne med fysisk dampaflejring. Næste, prøven varmebehandles, indtil guldlaget nedbrydes til dråber, der selv samles til nanopartikler styret af stolperne.

Faststof-affugtning

Et centralt underliggende materialevidenskabeligt fænomen på arbejde i denne selvsamling, Cheng siger, er kendt som væske i fast tilstand. "Selvsamling er en proces, hvor man anvender visse betingelser på et materiale, der gør det muligt for det at gennemgå en transformation over et stort område. Så det er en meget effektiv mønsterteknik, " forklarer Goodman.

På grund af frastødende interaktion mellem silicium- og guldlagene, guldet har en tendens til at danne dråber, som kan lokkes til mønstre omkring stolperne. Berggren-gruppen arbejder sammen med Carl V. Thompson, Stavros Salapatas-professoren i materialevidenskab og -teknik og direktøren for Materials Processing Center, som er ekspert i solid-state affugtning. Ved hjælp af et scanningselektronmikroskop, Cheng undersøger disse mønstre for at bestemme deres kvalitet og konsistens. "Guldet danner naturligt dråber, fordi der er en drivkraft for det til at mindske det overfladeareal, det deler med silicium. Det ser ikke helt ordnet ud, men du kan se begyndelsen af ​​en vis orden i affugtningen, " han siger, mens du viser et SEM-billede på en computer. "[På] andre billeder kan du tydeligt se begyndelsen af ​​mønstret."

"Når vi tager stillingerne, og vi gør dem tættere sammen, du kan se, at guldet godt kan lide at udtømme til noget regelmæssige mønstre. Disse er ikke helt regelmæssige i alle tilfælde, men for visse stolpestørrelser og mellemrum, vi begynder at se regelmæssige arrays. Vores mål er med succes at fremstille en plasmonisk række af bestilte, monodisperse [lige store] guldnanopartikler, " siger Cheng.

Goodman bemærker, at Thompsons gruppe har demonstreret udsøgt kontrol over affugtning i enkeltkrystallinske film på mikronskalaen, men Berggren-gruppen håber at udvide denne kontrol ned til nanoskalaen. "Dette vil være et virkelig nøgleresultat, hvis vi er i stand til at bringe denne affugtning, der er smukt kontrolleret på mikroskalaen, og aktivere det på nanoskalaen, " siger Goodman.

Cheng siger, at under hans sommerpraktik i Berggrens laboratorium, han lærte at betjene scanningselektronmikroskopet og lærte om nanofabrikationsprocesser. "Jeg har lært meget. Bortset fra det laboratoriearbejde, jeg laver, Jeg har scriptet til [LayoutEditor] CAD -programmet, som jeg bruger, og jeg har brugt Matlab, også, " siger han. "Jeg lærte faktisk meget om billedanalyse, fordi der er mange trin, der går ind i billedanalyse. Da vi har så mange data og så mange billeder at analysere, Jeg gør det kvantitativt og automatisk for at sikre, at jeg har repeterbarhed. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.