Deposi Sudut Tajam Presisi Nanohelices Emas pada Permukaan Nanoseed Tanpa Litografi

Metode

Substrat dilapisi dengan film tipis emas untuk menghasilkan nanopartikel emas pada permukaannya setelah penganalan. Film emas dengan ketebalan 5, 10, 15, 20, dan 25 nm disiapkan melalui evaporasi sinar elektron. Ketebalan setiap film dikontrol dengan mengubah waktu depo dan laju depo dan diukur menggunakan monitor ketebalan kristal kuarsa. Ukuran partikel rata-rata dikontrol dengan mengubah ketebalan film emas awal yang ditambatkan. Nanopartikel diperoleh dengan penganalan film yang ditambatkan pada 500 °C selama 30 menit. Ukuran partikel rata-rata (d) meningkat dari 45 hingga 200 nm, dan jarak rata-rata (s) antara partikel berdekatan meningkat dari 40 hingga 170 nm seiring dengan peningkatan ketebalan film awal dari 5 hingga 25 nm, seperti ditunjukkan pada Fig. 1. Dalam karya ini, sampel dengan diameter rata-rata 45 nm dan jarak 40 nm diadopsi untuk depo. Evaporasi sinar elektron digunakan untuk menumbuhkan nanohelices Au pada substrat kaca BK7. Dalam proses depo, normal substrat dimiringkan pada sudut 86° terhadap arah insiden uap. Nitrogen cair dilewatkan melalui loop di bawah substrat untuk mendingin penahan substrat ke −140 °C. Laju depo dipertahankan pada 0,3 nm/s. Tiga laju putar substrat 0,088, 0,117, dan 0,160 rpm dipilih untuk cocok dengan laju depo. Gambar 2 menunjukkan citra mikroskopi elektron pemindaian (SEM) penampang lintang dan tampilan atas dari tiga array nanohelices Au 2-putaran. Tabel 1 menyajikan panjang pitch dan radius kelengkungan dari ketiga sampel. Array nanohelices (sampel 1 dan sampel 2) yang ditambatkan pada laju putar 0,088 dan 0,117 rpm berbentuk spiral. Saat laju putar meningkat dari 0,088 hingga 0,117 rpm, panjang pitch menurun dari 70 hingga 60 nm dan radius kelengkungan menurun dari 45 hingga 30 nm. Ukuran rata-rata heliks yang ditumbuhkan pada permukaan yang di-seed berhasil dikurangi dari nanohelices Au yang ditambatkan sebelumnya, dengan panjang pitch 162 nm dan radius heliks 78 nm yang ditumbuhkan pada permukaan kaca halus [12, 13]. Array nanohelices (sampel 3) yang ditambatkan pada laju putar 0,160 rpm berbentuk spermeni, dan panjang pitch rata-ratanya 55 nm lebih kecil dari sampel 2. Selain itu, radius kelengkungan rata-rata sampel 3 dikurangi menjadi 17 nm. Array nanohelices Au 2-putaran yang ditambatkan pada laju putar 0,117 rpm juga ditunjukkan pada Gambar 2g, h. Ini menunjukkan bahwa nanohelices Au gagal tumbuh pada substrat halus.

Citra SEM tampilan atas partikel Au pada permukaan dengan diameter partikel rata-rata dan jarak 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)

Citra SEM tampilan atas dan penampang lintang nanohelices Au 2-putaran yang ditambatkan pada 0,088 rpm (a, b), 0,117 rpm (c, d) dan 0,160 rpm (e, f). Nanohelices yang ditumbuhkan pada permukaan halus ditunjukkan pada g dan h

Dalam pengukuran kami, kami menggunakan polarizer linier dan gelombang plate akromatik di depan sumber cahaya untuk menghasilkan gelombang polarisasi sirkular dengan panjang gelombang 400 hingga 700 nm. Pengaturan pengukuran ditambahkan pada Gambar 3. Spektra transmitansi dan refleksi yang terkait dengan cahaya insiden sirkular kanan dan kiri diukur untuk menurunkan spektrum extinctance. Sampel diputar dan dihentikan setiap 45° untuk mengukur spektrum refleksi dan transmitansi pada delapan orientasi yang berbeda. Ditemukan bahwa spektrum yang diukur sangat rendah bergantung pada orientasi rotasi; selisih nilai transmitansi atau refleksi antara dua orientasi apapun kurang dari 0,167%. Dicroisme sirkular sampel diukur sebagai g-factor (g), yang didefinisikan oleh persamaan,\( g=\left({E}_{\mathrm{RCP}}-{E}_{\mathrm{LCP}}\right)/\left(\frac{\left({E}_{\mathrm{RCP}}+{E}_{\mathrm{LCP}}\right)}{2}\right) \) di mana extinctance E _RCP (E _LCP) diukur dengan menerangi sampel dengan cahaya polarisasi sirkular kanan (kiri). Extinctance E didefinisikan sebagai E = 1 − R − T di mana R dan T adalah refleksi dan transmitansi, masing-masing.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 4 menunjukkan spektrum transmitansi dan refleksi untuk kedua status polarisasi sirkular. Dua sampel spiral memiliki spektrum yang mirip, dengan cemas transmitansi dan puncak refleksi pada panjang gelombang antara 500 dan 600 nm. Transmitansi sampel spermeni 3 melebihi yang kedua sampel spiral, dan refleksinya tetap lebih dari 8% pada rentang cahaya terlihat. Pada panjang gelombang antara 400 dan 700 nm, nilai transmitansi kedua status polarisasi lebih dari 43%.

Skema pengaturan eksperimen untuk pengukuran optik

Spektrum transmitansi dan refleksi polarisasi sirkular kanan dan kiri sampel 1 (a), sampel 2 (b), dan sampel 3 (c)

Gambar 5 menunjukkan spektrum selisih transmitansi dan selisih refleksi antara status polarisasi sirkular kanan dan kiri. Untuk sampel 1, selisih transmitansi ΔT = T _RCP − T _LCP menurun dari 1,54% pada λ = 400 nm menjadi 2,47% pada λ = 560 nm dan kemudian meningkat menjadi 7,78% pada λ = 700 nm, seperti ditunjukkan pada Gambar 5a. Selisih refleksi ΔR = R _RCP − R _LCP kurang dari 0,61% pada rentang cahaya terlihat. Refleksi maksimal adalah 7,35% untuk RCP pada 700 nm dan 6,74% untuk LCP pada λ = 700 nm. Untuk sampel 2, selisih transmitansi ΔT = T _RCP − T _LCP meningkat dari 0,13% pada λ = 400 nm menjadi 0,98% pada λ = 515 nm dan kemudian menurun menjadi −4,48% pada λ = 617 nm, seperti ditunjukkan pada Gambar 5b. Selisih refleksi ΔR = R _RCP − R _LCP kurang dari 0,87% pada rentang cahaya terlihat. Refleksi maksimal adalah 7,99% untuk RCP dan 7,17% untuk LCP pada λ = 700 nm. Untuk sampel 3, transmitansi kedua status polarisasi sangat mirip. Selisih transmitansi ΔT = T _RCP − T _LCP kurang dari 1,25% pada rentang cahaya terlihat, seperti ditunjukkan pada Gambar 5c. Selisih refleksi ΔR = R _RCP − R _LCP meningkat dari 0,38% pada λ = 400 nm menjadi maksimum 2,68% pada λ = 581 nm dan menurun menjadi −0,3% pada λ = 700 nm.

Selisih transmitansi (ΔT) dan spektrum selisih refleksi (ΔR) sampel 1 (a), sampel 2 (b), dan sampel 3 (c)

Gambar 6 menunjukkan extinctance, selisih extinctance (ΔE = E _RCP − E _LCP), dan spektrum g-factor. Untuk sampel 1, maksimum selisih extinctance ΔE _max = 2,56% terjadi pada λ = 560 nm dan minimum selisih extinctance ΔE _min = −8,39% pada λ = 700 nm. g-factor berada dalam rentang antara 0,0344 dan −0,156 pada panjang gelombang 400 hingga 700 nm. g-factor mencapai nilai ekstrimnya pada λ = 560 nm (g = 0,034) dan λ = 700 nm (g = −0,156). Untuk sampel 2, maksimum selisih extinctance ΔE _max = 1,45% terjadi pada λ = 517 nm dan minimum selisih extinctance ΔE _min = −4,26% pada λ = 612 nm. g-factor berada dalam rentang dari 0,02 hingga −0,068 pada panjang gelombang 400 hingga 700 nm. Nilai ekstrim g-factor tercapai pada λ = 517 nm (g = 0,02) dan λ = 617 nm (g = −0,068). Untuk sampel 3, selisih extinctance kecil dan di bawah 0,055%. Maksimum g-factor lokal pada λ = 490 nm adalah 0,00146, dan minimum g-factor lokal pada λ = 605 nm adalah −0,07768. Untuk ketiga sampel, maksimum g-factor bergeser dari 560 hingga 490 nm seiring dengan pengurangan radius kelengkungan nanohelices dari 45 hingga 17 nm.

Spektrum extinctance eksperimental, selisih extinctance (ΔE), dan g-factor sampel 1 (a–c), sampel 2 (d–f), dan sampel 3 (g–i)

Hubungan antara morfologi array nanohelices Au dan spektrum extinctance diteliti dengan simulasi near field. Simulasi finite-difference time-domain (FDTD) 3-D (Lumerical FDTD Solutions 8.7.11) dilakukan. Parameter yang ditetapkan untuk perhitungan FDTD termasuk mesh 1-nm dan time step 0,001 fs. Permitivitas emas diadopsi dari Johnson dan Christy di pustaka material perangkat lunak [18]. Rata-rata panjang pitch, radius kelengkungan, dan jarak nanohelices emas yang dibuat di atas diadopsi untuk membangun array nanohelices emas untuk simulasi. Spektrum extinctance, selisih extinctance (ΔE), dan g-factor yang disimulasikan dari tiga array heliks ditunjukkan pada Gambar 7. Hasil simulasi secara kuantitatif sejalan dengan hasil pengukuran. Di sisi lain, panjang gelombang λ_max yang sesuai dengan maksimum g-factor positif dan panjang gelombang λ_min yang sesuai dengan minimum g-factor negatif diadopsi untuk mensimulasikan distribusi near field. (λ_max, λ_min) 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 polarisasi sirkular kanan (kiri) dengan panjang gelombang λ_max dan λ_min secara normal insiden pada sampel dan intensitas medan listrik yang didefinisikan sebagai |E/E _i |² di mana E dan E _i adalah amplitudo medan listrik lokal dan medan listrik insiden, masing-masing, disimulasikan untuk distribusinya pada array nanohelices Au. Gambar 8 menunjukkan distribusi intensitas medan pada penampang lintang (xz-plane) untuk setiap sampel. Untuk setiap sampel, jelas bahwa intensitas medan lokal di bawah penerangan RCP lebih kuat daripada yang diinungkapkan dengan cahaya LCP pada panjang gelombang λ_max. Di sisi lain, intensitas medan lokal di bawah penerangan LCP lebih kuat daripada yang diinungkapkan dengan cahaya RCP pada panjang gelombang λ_min. Selisih magnitudo intensitas medan lokal maksimum antara penerangan RCP dan LCP jelas untuk sampel 1 dan sampel 2. Untuk sampel 3, distribusi intensitas medan lokal kedua status polarisasi sangat mirip. Simulasi near field dapat menjelaskan hasil pengukuran secara kualitatif.

Spektrum extinctance, selisih extinctance (ΔE), dan g-factor yang disimulasikan sampel 1 (a–c), sampel 2 (d–f), dan sampel 3 (g–i)

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

Kesimpulan

Simpulan, permukaan di mana partikel didistribusikan telah dibentuk dengan penganalan film logam tipis ultra. Partikel-partikel ini memiliki efek bayangan dalam depo sudut tajam dan mempengaruhi ukuran nanohelices yang ditumbuhkan pada mereka. Laju putar substrat disesuaikan relatif terhadap laju depo untuk memproduksi massal nanohelices berbentuk spiral dan spermeni dengan ukuran fitur kurang dari 100 nm. Simulasi near field diadopsi untuk menjelaskan extinctance yang bergantung pada polarisasi. Dicroisme sirkular yang bergantung pada ukuran yang ditunjukkan memungkinkan pembuatan nanohelices dengan properti optik chiral yang ditetapkan.

Singkatan

FDTD:

Finite-difference time-domain

LCP:

Polarisasi sirkular kiri

RCP:

Polarisasi sirkular kanan

SEM:

Mikroskopi elektron pemindaian