3Dで切断された銀ナノ構造体を製造する方法

本プロトコルでは、フェムト秒レーザーを用いてポリマーマトリックス内に三次元的に銀構造体を作製する方法を詳述します。まず、PVPと硝酸銀を水中で混合し、ポリマーマトリックス内に銀イオンを生成させます。次に、この溶液をガラススライドにコーティングし、加熱処理することで、銀イオンがドープされた厚いポリマー層を形成します。その後、ポリマー層にフェムト秒レーザーパルスを照射し、ポリマー内部に銀構造体を成長させます。光学顕微鏡および走査型電子顕微鏡による分析結果から、サンプルのレーザー照射領域において銀構造体が成長していることが示されます。UVフォトリソグラフィーなどの他手法と比較した本技術の主な利点は、フェムト秒レーザー直接描画により、一段階で、かつ三次元的に内部構造を形成できる点にあります。

このプロセスの鍵は、サンプル中の化学試薬の組み合わせにあり、これにより銀の成長をレーザー照射領域のみに限定しています。この手法の応用例には、赤外線および可視光波長用の等方性金属および誘電体メタマテリアルの3D作製が含まれます。ビーカーに8 mLの水量を量り取ります。

206 mgのポリビニルピロールを加え、溶液が透明になるまで混合します。次に、210 mgの硝酸銀を加え、混ぜ合わせて溶解させます。次に、ドロップキャスト法を用いてガラススライドに銀溶液をコーティングし、100 °Cのオーブンで30分間焼き付けます。

処理済みのスライドを取り出し、30分間冷却します。光学系は、チタンサファイアレーザー、ファラデーアイソレータ、パルスコンプレッサー、kuo光学モジュレーター、インディーフィルター、CCDカメラを備えた自作顕微鏡、および3軸ステージで構成されています。レーザービームを顕微鏡の全経路にわたってアライメントします。

対物レンズをサンプルマウントに向けて配置します。装置全体を振動隔離装置を備えた光学定盤の上に設置してください。コンプレッサーを調整し、顕微鏡対物レンズ通過後のパルス幅が50 femtosecondになるように設定します。

また、ニュートラル密度フィルタを調整し、3つのナノデュアルパルスを得るようにします。対物レンズの後方で、レーザースポットサイズが顕微鏡対物レンズの後方開口部よりも大きくなっていることを確認してください。次に、AOM（音響光学変調器）を設定し、サンプルに照射される10 µsの露光ウィンドウを作成します。

繰り返し回数を25 hertzに設定します。レーザービームが顕微鏡に到達する前に遮断します。試料を3軸移動ステージの上に配置します。

フェムト秒レーザーパルスのビームパスが、イメージング顕微鏡の対物レンズを通り、試料内で集光するように設定します。顕微鏡の照明光源を切り替え、C twoで試料を観察します。CCDカメラを用いてステージのZ軸を移動させ、ガラス基板とポリマーフィルムの界面を探します。

次に、ポリマー内部の目的の深さに顕微鏡の焦点を合わせます。最下層のパターニングを行うには、レーザービームの遮蔽を解除してください。モーションコントローラーのソフトウェアを設定し、試料をx、Y、およびZ方向に100 microns per secondの速度で移動させます。

パターニング中のZ方向への移動は、作製した構造物との干渉を避けるため、ガラスとポリマーの界面から離れる方向に行う必要があります。レーザー露光によって暗くなったフォックスホール（foxholes）には銀が含まれています。パルスエネルギーと露光時間。

銀ドットのサイズ、カスタム光学変調器の周波数、およびサンプルの走査速度を決定します。間隔を決定します。現在の設定では、明確に視認できる周期 4 µm の大きなドットが生成されます。

C twoイメージングでは、AO光学モジュレーターと中性密度フィルタにより、サンプルに照射されるエネルギー量を精密に制御できます。例えば、ボクセルあたり110パルス、1パルスあたり3 nano joulesの露光量とし、ステージを100 microns per secondで移動させると、NC two光学顕微鏡で銀構造を容易に観察することが可能です。この光学顕微鏡画像の3Dレンダリングでは、作製されたサンプルが銀ドットの配列の上にさらに別の銀ドットの配列が配置された構成になっていることがわかります。

これらはポリマーマトリックスによって固定されています。また、データは連続的な光学顕微鏡画像として視覚化することができ、サンプルを顕微鏡対物レンズから遠ざけるように移動させると、さまざまな特徴が順番に鮮明な焦点に入り、また外れる様子がアニメーションとして表示されます。このビデオでは、先に3Dレンダリングしたサンプルを示しています。

このビデオでは、Z方向にらせん状に配置された2つのドットパターンを示しています。作製された銀構造の高解像度画像は、走査電子顕微鏡を用いて取得することも可能です。このサンプルは、ガラス基板上に直接作製されたドットの2次元配列で構成されています。

注意点として、銀の構造体はサブマイクロメートルサイズであることに留意してください。このビデオを視聴することで、フェムト秒レーザーを用いてポリマーマトリックス中に三次元銀構造を作製する方法について、十分に理解できるはずです。レーザーや化学薬品を取り扱う作業は非常に危険を伴うため、この手順を行う際は、常に適切な保護具を着用することを忘れないでください。

この手法により、新しい設計やメタマテリアルの探索が可能となり、他の手法では作製不可能なデバイスを製造することができます。