Modelli ordinati di nanoparticelle d'oro su una base di silicio possono essere stimolati per produrre onde elettroniche collettive note come plasmoni che assorbono solo alcune strette bande di luce, rendendoli promettenti per una vasta gamma di array e tecnologie di visualizzazione in medicina, industria, e scienza.

Lo studioso estivo del Materials Processing Center (MPC)-Center for Materials Science and Engineering (CMSE) Justin Cheng ha lavorato questa estate presso il professore di ingegneria elettrica del MIT Karl K. Berggren's Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group per sviluppare tecniche specializzate per la formazione di questi modelli in oro su silicio . "Idealmente, vorremmo essere in grado di ottenere array di nanoparticelle d'oro da ordinare completamente, "dice Cheng, un anziano in ascesa alla Rutgers University.

"Il mio lavoro si occupa dei fondamenti di come scrivere un modello utilizzando la litografia a fascio di elettroni, come depositare l'oro, e come riscaldare il substrato in modo da poter ottenere array di particelle completamente regolari, "Spiega Cheng.

Nel Laboratorio di NanoStrutture del MIT, Cheng ha scritto il codice per produrre un modello che guiderà la deumidificazione di un sottile film d'oro in nanoparticelle, ha esaminato griglie parzialmente ordinate con un microscopio elettronico, e ha lavorato in una camera bianca per sviluppare un polimero resist, spin coat il resist sui campioni, e plasma pulire i campioni. Fa parte di un team che include la studentessa laureata Sarah Goodman e l'associato post-dottorato Mostafa Bedewy. È stato anche assistito dal manager del NanoStructures Lab James Daley.

"I plasmoni sono oscillazioni collettive della densità di elettroni liberi sulla superficie di un materiale, e danno alle nanostrutture metalliche proprietà sorprendenti che sono molto utili in applicazioni come il rilevamento, ottiche e dispositivi vari, " Goodman ha spiegato in una presentazione a Summer Scholars a giugno. "Gli array plasmonici sono molto buoni per i display visibili, Per esempio, perché il loro colore può essere regolato in base alle dimensioni e alla geometria."

Questo processo di fabbricazione in più fasi inizia con il rivestimento di spin idrogeno silsesquiossano (HSQ), che è una speciale resistenza a fascio di elettroni, o maschera, su un substrato di silicio. Cheng ha lavorato su un software utilizzato per scrivere un modello sul resist attraverso la litografia a fascio di elettroni. A differenza di alcune resistenze, HSQ diventa più resistente chimicamente quando lo esponi a fasci di elettroni, lui dice. L'intero substrato è di circa 1 centimetro per 1 centimetro, lui nota, e l'area di scrittura è larga circa 100 micron (o 0,0001 centimetri).

Dopo la fase di litografia a fascio di elettroni, il resist viene fatto passare attraverso una soluzione di sviluppo acquosa (a base acquosa) di idrossido di sodio e cloruro di sodio, che lascia dietro di sé una serie ordinata di montanti sopra lo strato di silicio. "Quando inseriamo il campione nella soluzione per sviluppatori, tutte le aree meno resistenti chimicamente della maschera HSQ si staccano, e rimangono solo i posti, " Dice Cheng. Poi, Daley deposita uno strato d'oro sopra i pali con deposizione fisica da vapore. Prossimo, il campione viene trattato termicamente fino a quando lo strato d'oro si decompone in goccioline che si autoassemblano in nanoparticelle guidate dai perni.

Deumidificazione allo stato solido

Un fenomeno fondamentale della scienza dei materiali alla base di questo autoassemblaggio, Cheng dice, è noto come dewetting allo stato solido. "L'autoassemblaggio è un processo in cui si applicano determinate condizioni a un materiale che gli consentono di subire una trasformazione su una vasta area. Quindi è una tecnica di modellazione molto efficiente, " spiega Goodman.

A causa dell'interazione repulsiva tra gli strati di silicio e oro, l'oro tende a formare goccioline, che possono essere persuasi in modelli intorno ai pali. Il gruppo Berggren sta lavorando in collaborazione con Carl V. Thompson, il professore di Scienza e ingegneria dei materiali Stavros Salapatas e il direttore del Centro di elaborazione dei materiali, esperto in dewetting allo stato solido. Utilizzando un microscopio elettronico a scansione, Cheng esamina questi modelli per determinarne la qualità e la consistenza. "L'oro forma naturalmente goccioline perché c'è una forza trainante per diminuire la superficie che condivide con il silicio. Non sembra completamente ordinato ma puoi vedere inizi di un certo ordine nel dewetting, " lui dice, durante la visualizzazione di un'immagine SEM su un computer. "[In] altre immagini puoi vedere chiaramente l'inizio del patterning."

"Quando prendiamo i pali e li avviciniamo, puoi vedere che all'oro piace bagnarsi in schemi piuttosto regolari. Questi non sono completamente regolari in tutti i casi, ma per determinate dimensioni e spaziature del palo, iniziamo a vedere array regolari. Il nostro obiettivo è fabbricare con successo una matrice plasmonica di ordini, nanoparticelle d'oro monodisperse [uguali], " dice Cheng.

Goodman osserva che il gruppo di Thompson ha dimostrato uno squisito controllo sulla deumidificazione in film monocristallini su scala micron, ma il gruppo Berggren spera di estendere questo controllo fino alla nanoscala. "Questo sarà un risultato davvero chiave se saremo in grado di portare questo dewetting ben controllato su microscala e consentirlo su nanoscala, "dice Goodman.

Cheng dice che durante il suo tirocinio estivo nel laboratorio di Berggren, ha imparato a far funzionare il microscopio elettronico a scansione e ha imparato a conoscere i processi di nanofabbricazione. "Ho imparato molto. A parte il lavoro di laboratorio che sto facendo, Ho creato script per il programma CAD [LayoutEditor] che utilizzo, e ho usato Matlab, pure, " dice. "In realtà ho imparato molto sull'analisi delle immagini perché ci sono molti passaggi che concorrono all'analisi delle immagini. Poiché abbiamo così tanti dati e così tante immagini da analizzare, Lo sto facendo quantitativamente e automaticamente per assicurarmi di avere ripetibilità".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.