God idé til on-demand nanomønstre

Fokuserede elektronstråler kan samtidig syntetisere optisk aktive nanokrystaller og mønstre dem til indviklede overfladearrays

Et A*STAR-team har samlet zinksulfid (ZnS) kvanteprikker i nanoskala gitter og arrays af linse-lignende diske ved at udføre elektronstrålelitografi på en tynd film til mange formål. De fotoluminescerende egenskaber af disse mønstre kunne gøre dem til nyttige komponenter i applikationer som biosensorer og solceller.

Mens individuelle ZnS nanopartikler har spændende optiske egenskaber, på grund af virkningerne af kvantekobling, deres lys-emitterende egenskaber bliver mere potente, når de placeres i bestilte samlinger. I stedet for konventionelle bottom-up-tilgange, der bruger våde kemikalier til at generere nanopartikelensembler på siliciumchips, mange forskere nærmer sig nu dette problem oppefra og ned, bruge nanoskala litografi til at fjerne uønsket materiale og skrive kvanteprikker direkte på overflader.

Udskæring af former i halvlederoverflader mindre end 10 nanometer er en særlig ekspertise hos M. S. M. Saifullah fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering, og kolleger. De leder kraftige elektronstråler videre til specielle tynde film kaldet 'resists'. Områder af resisten, der udsættes for de fokuserede stråler, gennemgår kemiske ændringer, der gør det muligt for små træk at blive på plads, mens den omgivende film vaskes væk af opløsningsmidler.

I de fleste elektronstrålelitografiteknikker, den mønstrede resist overføres til et andet substrat, og et kemisk ætsningstrin genererer de endelige nanoskalaformer. Saifullah og holdet, imidlertid, havde en anden strategi. "Vi udviklede en resist, der kan nedbrydes og danne et metalsulfid lige under elektronstrålen, " bemærker han. "Dette var en udfordring, fordi de fleste resists ikke har sådanne funktioner."

Holdet fandt en forbindelse kaldet zinkbutylxanthat, der kunne opfylde deres behov. I dette molekyle, zink- og svovlatomer er forbundet med langkædede organiske grupper, der potentielt kan løsnes ved hjælp af energien fra en elektronstråle. Eksperimenter med den nye resist viste effektiviteten af ​​denne konverteringsproces:ved gradvist at øge elektronstråleeksponeringen, startfilmen blev omdannet til ZnS nanokrystaller med en konverteringsrate på næsten 100 pct.

De A*STAR-ledede forskere udnyttede egenskaberne af zinkbutylxanthatresisten til at producere linjer af ZnS nanokrystaller med diametre så tynde som 6 nanometer. Derefter, efter karakterisering af strukturerne med elektronmikroskopi, de gjorde endnu en serendipitisk opdagelse - nanomønstrene udsendte stærkt fotoluminescerende lys, når de blev udsat for ultraviolet stråling. Defekttilstande på nanokrystaloverfladerne blev udpeget som årsagen til den nye optiske adfærd.

"Det gode ved fotoluminescerende ZnS nanokrystaller er, at de kan arrangeres i praktisk talt enhver form, " siger Saifullah. "I fremtiden, vi vil gerne kombinere disse nanostrukturer med plasmonics."