Nanokomposit Garam Logam Biaya Rendah Hasilkan Nanostruktur Silicon Tinggi Rasio Aspek, Super-Hidrofobik, dan Reflektivitas Rendah
Abstrak
Kami menyajikan rute sederhana dan murah untuk memproduksi nanostruktur multifungsional yang menunjukkan performa anti-reflektif dan super-hidrofobik yang luar biasa. Dengan mengeksploitasi pemisahan fase dalam film nanokomposit garam logam–polimer, nano-pulau terbentuk setelah penghapusan polimer; pulau-pulau ini berfungsi sebagai masker keras untuk etching kering substrat yang mendasari. Tidak seperti teknik lift-off konvensional, proses kami hanya memerlukan spin coating dan pemanasan termal, yang secara drastis mengurangi biaya pembuatan. Keduanya aluminum nitrate nonahidrat (ANN) dan chromium nitrate nonahidrat (CNN) adalah garam yang cocok, memungkinkan pencipta tiang silicon dengan rasio aspek hingga 1:30 dan dimensi lateral di bawah 50 nm. Penyesuaian parameter etching ion reaktif menghasilkan fitur konis silicon yang mencerminkan hanya 2 % cahaya visible. Melapisi tiang dengan silana fluorinasi menghasilkan sudut kontak air 165,7°, mengonfirmasi super-hidrofobisitas.
Latar Belakang
Nanostruktur permukaan semakin dibutuhkan karena kemampuannya untuk menyesuaikan properti material massa—meningkatkan basah, konduktivitas termal/elektrik, pembersihan sendiri, anti-es, anti-reflektivitas, dan performa rintasan gas. Lapisan “cerdas” biasanya menampilkan tiang, konus, atau tekstur pori periodik, sementara studi terbaru menyoroti serbaguna dari pengaturan acak yang diatur oleh desain statistik.
Lapisan anti-reflektif meningkatkan penyerapan cahaya di sel surya, LED, lensa kamera, dan jendela, sementara permukaan super-hidrofobik, yang terinspirasi dari daun teratai, memungkinkan pembersihan sendiri dan anti-es. Secara menakjubkan, kedua fungsionalitas dapat coexist pada satu permukaan skala nano, seperti yang terlihat pada mata gayam, yang menggabungkan pemancingan cahaya dengan penolak cairan.
Metode litografi top-down (optik, electron-beam, nanoimprint) mencapai presisi tinggi tetapi dengan biaya signifikan. Self-assembly bottom-up menawarkan biaya lebih rendah tetapi tradisional menghasilkan pola acak atau periodik ketat, dengan ukuran fitur yang terbatas. Teknik seperti nanosphere lithography, self-assembly blok-kopolimer, dan self-masking reactive-ion etching telah menghasilkan fitur sub-100 nm, namun sering memerlukan peralatan khusus atau kondisi pemrosesan yang ketat.
Pekerjaan kami sebelumnya telah menunjukkan pendekatan spin-coating dan reactive-ion etching untuk menghasilkan nanostruktur permukaan. Studi ini memperluas repertoire garam logam ke ANN dan CNN, mengoptimalkan proses untuk resolusi sub-20 nm atas area luas, dan menyajikan performa anti-reflektif dan super-hidrofobik yang unggul.
Metode/Eksperimen
Kami mengevaluasi beberapa garam logam sebagai masker keras. Garam nikel dikecualikan karena properti magnetis yang tidak kompatibel dengan banyak etcher kamar bersih. Aluminum dan chromium nitrate—logam masker keras umum—dipilih. Garamsnya (Al(NO₃)₃·9H₂O dan Cr(NO₃)₃·9H₂O) memiliki titik leleh rendah (66 °C dan 60 °C), yang mempromosikan pemisahan fase pada suhu modest. Keduanya larut dalam dimetilformamida (DMF), pelarut yang dipilih karena kompatibilitasnya dengan poly(methyl methacrylate) (PMMA) dan kemampuan untuk menghasilkan film komposit seragam.
PMMA (Mw = 996 kDa) dilarutkan pada 5 wt % dalam DMF. Secara terpisah, ANN atau CNN dilarutkan pada 1–10 wt % dalam DMF. Kedua larutan dicampur 1:1 menurut volume, menghasilkan komposit jernih dengan 0,5–5 wt % garam logam dan 5 wt % PMMA. Campuran di spin-coat pada wafer silicon yang telah dibersihkan (lapisan PMMA 100 nm diikuti oleh lapisan komposit 300 nm). Pemanasan termal pada 120 °C selama 1 jam menginduksi pemisahan fase, membentuk nano-pulau garam logam. Plasma oksigen (non-switching RIE) etching matriks polimer, meninggalkan pulau di silicon. Selanjutnya SF₆/C₄F₈ RIE etching substrat, menggunakan pulau sebagai masker keras untuk membentuk tiang atau konus.
Alur pembuatan: 1) Spin-coat komposit polimer–garam. 2) Pemanasan termal untuk memisahkan fase. 3) Plasma oksigen menghapus polimer, meninggalkan pulau garam. 4) RIE berbasis fluorin etching silicon, menggunakan pulau sebagai masker.
SEM dari sisa PMMA setelah plasma oksigen: (a) PMMA murni—etched bersih; (b) PMMA + garam logam—polimer tersisa, mengonfirmasi bahwa pulau garam bertindak sebagai mikro-masker.
Hasil dan Diskusi
Efek Suhu Pemanasan
Menggunakan rasio ANN:PMMA 1:10, film dipanaskan dari 40 °C hingga 200 °C (1 jam). SEM setelah etching menunjukkan pembentukan tiang pada semua suhu; keseragunan optimal terjadi pada 120 °C, di mana diameter dan spasi tiang paling konsisten.
SEM nanostruktur silicon yang dipanaskan pada berbagai suhu (a–i).
Efek Rasio Garam Logam:Polimer
Muatan garam yang lebih tinggi meningkatkan kepadatan tiang dan mengurangi diameter. Untuk ANN:PMMA, rasio 1:10, 2:10, 3:10, dan 5:10 menghasilkan tiang dari struktur langka >200 nm hingga fitur konis padat ~100 nm—ideal untuk aplikasi anti-reflektif. CNN:PMMA menghasilkan dimensi yang serupa karena kimia yang mirip.
Evolusi tiang ANN:PMMA dengan rasio garam (a = 1:10 hingga d = 5:10).
Evolusi tiang CNN:PMMA dengan rasio garam (a = 1:10 hingga d = 5:10).
Pengukuran reflektivitas (PerkinElmer Lambda 35) menunjukkan penurunan dramatis: silicon polos mencerminkan ~35 % dalam visible, sementara ANN:PMMA 5:10 menghasilkan 2 % reflektansi. Tren berkaitan dengan peningkatan kepadatan tiang dan morfologi tapered.
Spektrum reflektivitas untuk ANN:PMMA (a–b) dan CNN:PMMA (c). Wafer terstruktur (d) menunjukkan kontras yang tajam dengan silicon polos.
Super-hidrofobisitas dikonfirmasi melalui sudut kontak air pada sampel yang dilapisi silana tricloro(1H,1H,2H,2H-perfluorooctyl) (FOTS). Sementara silicon datar mencapai 110°, nanostruktur ANN:PMMA 3:10 mencapai 165,7°, mencocokkan nilai tertinggi yang pernah dilaporkan.
Sudut kontak air untuk nanostruktur ANN dan CNN (a–b). Super-hidrofobisitas (>160°) dicapai di seluruh rasio.
Kesimpulan
Pemisahan fase nanokomposit garam logam–polimer menyediakan rute biaya rendah dan scalable untuk nanostruktur silicon tinggi rasio aspek, sub-50 nm. Menggunakan ANN atau CNN dengan rasio garam:PMMA 5:10 menghasilkan 2 % reflektansi dan sudut kontak air 165,7°—cocok untuk aplikasi fotovoltaik, optik, dan anti-es. Peningkatan lebih lanjut dapat dicapai dengan menyesuaikan konsentrasi garam atau kimia etching. Metodologi ini menunjukkan alternatif praktis dan ekonomis terhadap teknik pemasangan masker keras konvensional.
