Metoda wytwarzania rozłącznych nanostruktur srebrowych w 3D

Niniejszy protokół szczegółowo opisuje proces wytwarzania trójwymiarowych struktur srebra wewnątrz matrycy polimerowej przy użyciu lasera femtosekundowego. Procedurę rozpoczyna się od zmieszania PVP i azotanu srebra w wodzie w celu uzyskania jonów srebra wewnątrz matrycy polimerowej. Następnie szkiełko przedmiotowe pokrywa się roztworem i wypieka, aby utworzyć grubą warstwę polimeru domieszkowaną jonami srebra, a następnie naświetla warstwę polimerową impulsami lasera femtosekundowego w celu wzrostu struktur srebra wewnątrz polimeru. Wyniki analityczne z mikroskopii optycznej i skaningowej mikroskopii elektronowej wykazują wzrost struktur srebra w objętościach próbki naświetlonych laserem. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z innymi metodami, takimi jak fotolitografia UV, jest to, że bezpośredni zapis laserem femtosekundowym pozwala na tworzenie struktur wewnętrznych w jednym kroku i może to być realizowane w 3D.

Kluczem do tego procesu jest zastosowanie kombinacji odczynników chemicznych w próbce, co ogranicza wzrost srebra do objętości naświetlanej laserem. Zastosowaniem tej metody jest trójwymiarowe wytwarzanie izotropowych metalicznych i dielektrycznych metamateriałów dla fal podczerwonych i optycznych. Odmierz osiem mililitrów wody w zlewce.

Dodaj 206 mg poliwinylo-peryrenu i mieszaj, aż roztwór stanie się klarowny. Następnie dodaj 210 mg azotanu srebra i rozpuść poprzez mieszanie. Teraz, stosując metodę drop casting, pokryj szkiełko przedmiotowe roztworem srebra, a następnie wypiecz szkiełka w piekarniku w temperaturze 100 °C przez 30 minut.

Wyjąć i chłodzić potraktowane preparaty na szkiełkach przez 30 minut. Układ optyczny składa się z laseru szafirowego z tytanem, izolatora Faradaya, kompresora impulsów, modulatora optycznego Kuo, filtra indie, własnej konstrukcji mikroskopu z kamerą CCD oraz trójosiowej platformy translacyjnej. Ustawić wiązkę lasera wzdłuż całej drogi optycznej mikroskopu.

Obiektyw do uchwytu próbki. Cały układ powinien znajdować się na stole optycznym z izolatorami drgań. Dostrój kompresor, aby uzyskać impulsy o czasie trwania 50 femtosekund za obiektywem mikroskopu.

Należy również dostosować filtry neutralnej gęstości, aby uzyskać trzy nano-podwójne impulsy. Po ustawieniu obiektywu należy upewnić się, że rozmiar plamki lasera jest większy niż tylna apertura obiektywu mikroskopu. Następnie należy ustawić modulator optyczny AL tak, aby tworzył 10 mikrosekundowe okna ekspozycji, podczas których naświetlana jest próbka.

Ustaw częstotliwość repetycji na 25 hertz. Zablokuj wiązkę lasera przed jej dotarciem do mikroskopu. Umieść próbkę na trójosiowym stole translacyjnym.

Droga wiązki impulsów lasera femtosekundowego powinna przechodzić przez obiektyw mikroskopu obrazującego i ogniskować się w próbce. Przełącz źródło oświetlenia mikroskopu, aby zaobserwować próbkę w C dwa. Używając kamery CCD, przesuń oś Z stolika, aby zlokalizować granicę między podłożem szklanym a błoną polimerową.

Następnie ponownie ustaw ostrość mikroskopu na pożądanej głębokości wewnątrz polimeru. Aby wzorować najniższą warstwę, odblokuj wiązkę lasera. W oprogramowaniu sterownika ruchu ustaw przesuwanie próbki w kierunkach X, Y i Z z prędkością 100 microns per second.

Przesunięcie w osi Z podczas wzorowania musi odbywać się w kierunku oddalenia od interfejsu szkło-polimer, aby uniknąć zakłóceń w wytworzonych strukturach. Zaciemnione, naświetlone laserem otwory typu „foxhole” zawierają srebro. Energia impulsu i czas ekspozycji.

Wyznacz rozmiar srebrnych kropek, częstotliwość modulatora optycznego oraz prędkość przesuwania próbki. Wyznacz rozstaw. Obecne ustawienia pozwalają na uzyskanie dużych kropek o okresie 4 µm dla zapewnienia przejrzystości.

W obrazowaniu C two modulator optyczny AO oraz filtry neutralne pozwalają na precyzyjną kontrolę ilości energii dostarczanej do próbki. Na przykład, struktury srebrne są wyraźnie widoczne pod mikroskopem optycznym NC two przy ekspozycji 110 impulsów na woxel i energii 3 nJ na impuls, przy przesuwaniu stolika z prędkością 100 µm/s. Na tej renderacji 3D obrazów z mikroskopii optycznej wykonana próbka składa się z macierzy srebrnych kropek umieszczonych na innej macierzy srebrnych kropek.

Są one unieruchomione w matrycy polimerowej. Dane można również zwizualizować jako sekwencyjne obrazy z mikroskopii optycznej, które zostały zanimowane; w miarę przesuwania próbek w kierunku przeciwnym do obiektywu mikroskopu, poszczególne elementy wchodzą w ostrość i z niej wychodzą. Niniejszy film przedstawia wcześniej renderowaną w 3D próbkę.

Ten film przedstawia dwa wzory kropek spiralnie rozmieszczone w kierunku Z. Obrazy wykonanych struktur srebrnych o wysokiej rozdzielczości można uzyskać również za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Próbka ta składa się z dwuwymiarowej macierzy kropek, które zostały wytworzone bezpośrednio na podłożu szklanym.

Należy zauważyć, że srebrne elementy mają rozmiar submikrometryczny. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś mieć dobrą wiedzę na temat tego, jak tworzyć trójwymiarowe struktury srebrne w matrycy polimerowej za pomocą lasera femtosekundowego. Pamiętaj, że praca z laserami i chemikaliami może być niezwykle niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury zawsze należy używać odpowiedniego sprzętu ochronnego.

Technika ta umożliwia badanie nowych projektów i metamateriałów oraz wytwarzanie urządzeń, których nie można wykonać przy użyciu innych metod.