Obliquely Deposited Gold Nanohelices pada Permukaan Nanoseeded Bebas Litografi

Abstrak

Permukaan substrat di mana partikel emas didistribusikan disiapkan dengan menganil film emas ultra-tipis untuk memungkinkan pengendapan sudut pandang. Dengan mendinginkan substrat dan mengontrol laju putarannya, dua susunan nanohelix emas seperti spiral dan satu sekrup tumbuh di atas permukaan yang diunggulkan. Jari-jari heliks rata-rata dan panjang nada masing-masing dikurangi menjadi 17 dan 55 nm. Faktor-g dari tiga susunan nanohelix diukur di sini dan pergeseran biru puncak dikroisme melingkar terkait terjadi saat heliks emas menyusut.

Latar Belakang

Array heliks plasmonic subwavelength telah dipelajari secara intensif selama 10 tahun terakhir [1]. Penyerapan dan radiasi yang bergantung pada polarisasi sirkular menyebabkan susunan menunjukkan sifat optik yang luar biasa, termasuk polarisasi sirkular pita lebar [2] dan penyerapan cahaya [3]. Dichroism melingkar nanoheliks plasmonic merupakan karakteristik penting dalam bio-sensing [4]. Pada tahun 2005, heliks emas tiga dimensi dengan panjang pitch sekitar 0,75 m dibuat dan didistribusikan secara teratur pada permukaan dengan tulisan laser [2]. Larik heliks beraturan seperti itu bertindak sebagai polarizer melingkar yang melewatkan gelombang melingkar tangan kanan dan memblokir gelombang melingkar tangan kiri dengan panjang gelombang berkisar antara 3 hingga 6,5 μm [2, 5].

Karena perkembangan nanoteknologi, nanoheliks logam dengan panjang pitch rata-rata kurang dari 200 nm baru-baru ini telah dikembangkan dengan deposisi sudut pandang [6]. Film logam berstrukturnano telah dipahat dengan memiringkan substrat selama deposisi untuk menghasilkan efek bayangan [7]. Rekan Fischer dkk. mengadopsi dua strategi untuk mewujudkan struktur tiga dimensi sub-panjang gelombang [8]. Yang pertama melibatkan mengatur permukaan yang diunggulkan untuk menawarkan efek bayangan [9]. Yang lainnya melibatkan penggunaan nitrogen cair untuk mendinginkan substrat hingga sekitar 140 °C untuk mengurangi energi difusi adatom [10]. Nanoheliks emas dua putaran dengan panjang pitch rata-rata 34 nm dan radius heliks 30 nm telah dipahat pada permukaan seed biasa yang telah dipola oleh litografi. Baru-baru ini, nanoheliks berhasil ditumbuhkan pada permukaan yang halus dengan efek self-shadowing [11]. Heliks logam seperti spiral atau seperti sekrup ditumbuhkan dengan menyetel laju putaran substrat relatif terhadap laju deposisi [12, 13]. Namun, efek bayangan diri membatasi ukuran rata-rata nanoheliks. Pada sudut pengendapan 89° antara arah fluks pengendapan dan permukaan normal, susunan nanohelix spiral perak dengan panjang nada rata-rata (p ) dari 153 nm dan radius heliks (R ) dari 88 nm dan susunan nanohelix emas dengan p = 162 nm dan R = 78 nm ditanam pada substrat BK7 yang halus.

Untuk membentuk nanoheliks yang lebih kecil daripada yang ditumbuhkan dengan self-shadowing, permukaan seeded diperlukan untuk menyesuaikan morfologinya [14]. Namun, penggunaan litografi yang mahal untuk membuat pola permukaan substrat tidak memberikan keuntungan dari deposisi sudut pandang [15], yang merupakan metode murah untuk produksi massal nanoheliks. Dalam karya ini, partikel emas didistribusikan pada permukaan substrat dengan menganil film logam ultra-tipis. Partikel ini menawarkan efek bayangan dan mengurangi ukuran heliks emas yang tumbuh di atasnya [16, 17].

Metode

Substrat dilapisi dengan film emas tipis untuk menghasilkan nanopartikel emas di permukaannya setelah anil. Film emas dengan ketebalan 5, 10, 15, 20, dan 25 nm dibuat dengan penguapan berkas elektron. Ketebalan setiap film dikontrol dengan memvariasikan waktu deposisi dan laju deposisi dan diukur menggunakan monitor ketebalan kristal kuarsa. Ukuran partikel rata-rata dikendalikan dengan memvariasikan ketebalan lapisan emas awal yang diendapkan. Nanopartikel diperoleh dengan menganil film yang diendapkan pada 500 °C selama 30 menit. Ukuran partikel rata-rata (d ) meningkat dari 45 menjadi 200 nm, dan jarak rata-rata antara partikel yang berdekatan meningkat dari 40 menjadi 170 nm karena ketebalan film awal meningkat dari 5 menjadi 25 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Dalam karya ini, sampel dengan diameter rata-rata 45 nm dan jarak 40 nm diadopsi untuk pengendapan. Penguapan berkas elektron digunakan untuk menumbuhkan nanoheliks Au pada substrat kaca BK7. Pada proses pengendapan, normal substrat dimiringkan dengan sudut 86° terhadap arah datangnya uap. Nitrogen cair dilewatkan melalui loop di bawah substrat untuk mendinginkan penahan substrat hingga 140 °C. Laju deposisi dipertahankan pada 0,3 nm/s. Tiga kecepatan putaran substrat 0,088, 0,117, dan 0,160 rpm dipilih agar sesuai dengan kecepatan pengendapan. Gambar 2 menunjukkan gambar mikroskop elektron (SEM) pemindaian penampang dan tampilan atas dari tiga larik Au nanohelix 2 putaran. Tabel 1 menyajikan panjang nada dan jari-jari kelengkungan ketiga sampel. Array nanohelix (sampel 1 dan sampel 2) yang diendapkan pada kecepatan putaran 0,088 dan 0,117 rpm berbentuk spiral. Saat kecepatan putaran meningkat dari 0,088 menjadi 0,117 rpm, panjang nada menurun dari 70 menjadi 60 nm dan jari-jari kelengkungan menurun dari 45 menjadi 30 nm. Ukuran rata-rata heliks yang ditumbuhkan pada permukaan benih berhasil dikurangi dari Au nanohelices yang sebelumnya disimpan, dengan panjang pitch 162 nm dan radius heliks 78 nm yang ditumbuhkan pada permukaan kaca yang halus [12, 13] . Array nanohelix (sampel 3) yang diendapkan pada kecepatan putaran 0,160 rpm adalah seperti sekrup, dan panjang pitch rata-ratanya 55 nm lebih kecil daripada sampel 2. Selanjutnya, radius kelengkungan rata-rata sampel 3 berkurang menjadi 17 nm. Array Au nanohelix 2 putaran yang disimpan pada kecepatan putaran 0,117 rpm juga ditunjukkan pada Gambar. 2g, h. Terbukti bahwa Au nanohelix gagal tumbuh pada substrat yang halus.

Gambar SEM tampilan atas partikel Au pada permukaan dengan diameter dan jarak partikel rata-rata yang berbeda:a (d, s) = (45 nm, 40 nm); b (d, s) = (105 nm, 85 nm); c (d, s) = (150 nm, 125 nm); d (d, s) = (180 nm, 150 nm); e (d, s) = (200 nm, 170 nm)

Gambar SEM tampilan atas dan penampang dari Au nanohelices 2 putaran yang disimpan pada 0,088 rpm (a , b ), 0,117 rpm (c , d ) dan 0,160 rpm (e , f ). Nanoheliks yang tumbuh pada permukaan yang halus ditunjukkan dalam g dan h

Dalam pengukuran kami, kami menerapkan polarizer linier dan pelat gelombang akromatik di depan sumber cahaya untuk menghasilkan gelombang terpolarisasi melingkar dengan panjang gelombang 400 hingga 700 nm. Pengaturan pengukuran ditambahkan pada Gambar. 3. Spektrum transmitansi dan reflektansi yang terkait dengan cahaya insiden tangan kanan dan tangan kiri diukur untuk memperoleh spektrum kepunahan. Sampel diputar dan dihentikan setiap 45° untuk mengukur spektrum reflektansi dan transmitansi pada delapan orientasi yang berbeda. Ditemukan bahwa spektrum yang diukur sangat bergantung pada orientasi rotasi; perbedaan nilai transmitansi atau reflektansi antara dua orientasi mana pun kurang dari 0,167%. Dichroism melingkar sampel diukur sebagai g-faktor (g ), yang didefinisikan oleh persamaan,\( g=\left({E}_{\mathrm{RCP}}-{E}_{\mathrm{LCP}}\right)/\left(\frac{\ kiri({E}_{\mathrm{RCP}}+{E}_{\mathrm{LCP}}\right)}{2}\right) \) di mana kepunahan E _RCP (E _LCP ) diukur dengan menyinari sampel dengan cahaya terpolarisasi melingkar tangan kanan (kidal). Kepunahan E didefinisikan sebagai E = 1 − R T dimana R dan T adalah reflektansi dan transmitansi, masing-masing.

Hasil dan Diskusi

Gambar 4 menunjukkan spektrum transmitansi dan reflektansi untuk kedua keadaan polarisasi sirkular. Dua sampel mirip spiral memiliki spektrum yang serupa, dengan penurunan transmitansi dan puncak reflektansi pada panjang gelombang antara 500 dan 600 nm. Transmisi sampel seperti sekrup 3 melebihi dua sampel seperti spiral lainnya, dan reflektansinya tetap lebih tinggi dari 8% dalam rezim yang terlihat. Pada panjang gelombang antara 400 dan 700 nm, nilai transmitansi dari kedua status polarisasi lebih tinggi dari 43%.

Skema pengaturan eksperimental untuk pengukuran optik

Transmisi terpolarisasi sirkular tangan kanan dan tangan kiri dan spektrum reflektansi sampel 1 (a ), contoh 2 (b ), dan contoh 3 (c )

Gambar 5 menunjukkan spektrum perbedaan transmitansi dan perbedaan reflektansi antara keadaan polarisasi sirkular tangan kanan dan tangan kiri. Untuk sampel 1, perbedaan transmitansi T = B _RCP B _LCP menurun dari 1,54% pada = 400 nm menjadi 2,47% pada = 560 nm dan kemudian meningkat menjadi 7,78% pada = 700 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Perbedaan pantulan R = R _RCP R _LCP kurang dari 0,61% dalam rezim yang terlihat. Reflektansi maksimal adalah 7,35% untuk RCP pada 700 nm dan 6,74% untuk LCP pada = 700 nm. Untuk sampel 2, perbedaan transmitansi T = B _RCP B _LCP meningkat dari 0,13% pada = 400 nm menjadi 0,98% pada = 515 nm dan kemudian menurun menjadi 4,48% pada = 617 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b. Perbedaan pantulan R = R _RCP R _LCP kurang dari 0,87% dalam rezim yang terlihat. Reflektansi maksimal adalah 7,99% untuk RCP dan 7,17% untuk LCP pada = 700 nm. Untuk sampel 3, transmitansi dari kedua keadaan polarisasi sangat mirip. Perbedaan transmisi T = B _RCP B _LCP kurang dari 1,25% dalam rezim yang terlihat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c. Perbedaan pantulan R = R _RCP R _LCP naik dari 0,38% pada λ = 400 nm menjadi maksimal 2,68% pada = 581 nm dan turun menjadi 0,3% pada = 700 nm.

Perbedaan transmisi (ΔT ) dan spektrum perbedaan reflektansi (ΔR ) dari sampel 1 (a ), contoh 2 (b ), dan contoh 3 (c )

Gambar 6 menunjukkan kepunahan, perbedaan kepunahan (ΔE = E _RCP E _LCP ), dan spektrum faktor-g. Untuk sampel 1, perbedaan kepunahan maksimum ΔE _maks = 2,56% terjadi pada λ = 560 nm dan perbedaan kepunahan minimum E _menit = 8,39% pada = 700 nm. Faktor-g berada dalam kisaran antara 0,0344 dan 0,156 pada panjang gelombang 400 hingga 700 nm. Faktor-g mencapai nilai ekstremnya pada λ = 560 nm (g = 0,034) dan = 700 nm (g = −0.156). Untuk sampel 2, perbedaan kepunahan maksimum ΔE _maks = 1,45% terjadi pada λ = 517 nm dan perbedaan kepunahan minimum E _menit = 4,26% pada = 612 nm. Faktor-g berada dalam kisaran 0,02 hingga -0,068 pada panjang gelombang 400 hingga 700 nm. Nilai ekstrim faktor-g dicapai pada λ = 517 nm (g = 0,02) dan = 617 nm (g = −0.068). Untuk sampel 3, perbedaan kepunahannya kecil dan di bawah 0,055%. Faktor-g maksimum yang dilokalkan pada = 490 nm adalah 0,00146, dan faktor-g minimum yang dilokalkan pada = 605 nm adalah 0,07768. Untuk ketiga sampel, maksimum faktor-g bergeser dari 560 menjadi 490 nm karena jari-jari kelengkungan nanoheliks berkurang dari 45 menjadi 17 nm.

Kepunahan eksperimental, perbedaan kepunahan (ΔE ), dan spektrum faktor-g sampel 1 (a –c ), contoh 2 (d –f ), dan sampel 3 (g –i )

Hubungan antara morfologi susunan Au nanohelix dan spektrum kepunahan diselidiki dengan simulasi medan dekat. Simulasi domain waktu perbedaan-hingga (FDTD) 3-D (Solusi FDTD Lumerical 8.7.11) dilakukan. Parameter yang disetel untuk penghitungan FDTD mencakup mesh 1-nm dan langkah waktu 0,001 fs. Permitivitas emas diadopsi dari Johnson dan Christy di perpustakaan materi perangkat lunak [18]. Panjang pitch rata-rata yang disebutkan di atas, jari-jari kelengkungan, dan jarak nanohelix emas fabrikasi diadopsi untuk membangun array nanohelix emas untuk simulasi. Kepunahan simulasi, perbedaan kepunahan (ΔE ), dan spektrum faktor-g dari tiga susunan heliks ditunjukkan pada Gambar. 7. Hasil simulasi secara kuantitatif sesuai dengan hasil pengukuran. Di sisi lain, panjang gelombang _maks sesuai dengan faktor g maksimum positif dan panjang gelombang λ_min yang sesuai dengan faktor-g minimum negatif diadopsi untuk mensimulasikan distribusi medan dekat. (λ_maks , _mnt ) dari sampel 1, sampel 2 dan sampel 3 adalah (550 nm, 700 nm), (520 nm, 600 nm), dan (480 nm, 620 nm), masing-masing. Gelombang cahaya terpolarisasi melingkar dengan tangan kanan (kidal) dengan panjang gelombang _maks dan _mnt biasanya terjadi pada sampel dan intensitas medan listrik didefinisikan sebagai |E/E _i |² dimana E dan E _i adalah amplitudo medan listrik lokal dan medan listrik insiden, masing-masing, disimulasikan untuk distribusinya pada array Au nanohelix. Gambar 8 menunjukkan distribusi intensitas medan pada penampang (xz-plane) untuk setiap sampel. Untuk setiap sampel, jelas bahwa intensitas medan terlokalisasi di bawah iluminasi RCP lebih kuat daripada yang disinari dengan cahaya LCP pada panjang gelombang _maks . Di sisi lain, intensitas medan lokal di bawah iluminasi LCP lebih kuat daripada yang disinari dengan cahaya RCP pada panjang gelombang _min . Perbedaan besarnya intensitas medan lokal maksimum antara iluminasi RCP dan LCP terlihat jelas untuk sampel 1 dan sampel 2. Untuk sampel 3, distribusi intensitas medan terlokalisasi dari kedua keadaan polarisasi sangat mirip. Simulasi jarak dekat dapat menjelaskan hasil pengukuran secara kualitatif.

Simulasi kepunahan, perbedaan kepunahan (ΔE), dan spektrum faktor-g sampel 1 (a –c ), contoh 2 (d –f ), dan sampel 3 (g –i )

Diagram skema nanoheliks Au dan distribusi intensitas medan listrik sampel 1 (a –d ), contoh 2 (e –h ), dan sampel 3 (i –l )

Kesimpulan

Kesimpulannya, permukaan di mana partikel didistribusikan telah dibentuk dengan menganil film logam ultra-tipis. Partikel memiliki efek bayangan dalam deposisi sudut pandang dan mempengaruhi ukuran nanoheliks yang tumbuh di atasnya. Laju putaran substrat disetel relatif terhadap laju deposisi untuk memproduksi massal nanoheliks seperti spiral dan seperti sekrup dengan ukuran fitur kurang dari 100 nm. Simulasi medan dekat diadopsi untuk menjelaskan kepunahan yang bergantung pada polarisasi. Dichroism melingkar tergantung ukuran yang ditunjukkan memungkinkan fabrikasi nanoheliks dengan properti optik kiral yang ditentukan.

Singkatan

FDTD:: Domain waktu perbedaan-hingga
LCP:: Polarisasi lingkaran tangan kiri
RCP:: Lingkaran tangan kanan terpolarisasi
SEM:: Pemindaian mikroskopis elektron

Menargetkan Sel Endotel dengan Nanopartikel GaN/Fe Multifungsi Biosensor DNA Elektrokimia yang Sangat Sensitif dari Nano-komposit Akrilik-Emas untuk Penentuan Jenis Kelamin Ikan Arwana

bahan nano