Des motifs ordonnés de nanoparticules d'or sur une base de silicium peuvent être stimulés pour produire des ondes électroniques collectives appelées plasmons qui n'absorbent que certaines bandes étroites de lumière, ce qui les rend prometteurs pour un large éventail de matrices et de technologies d'affichage en médecine, industrie, et scientifique.

Le boursier d'été du Centre de traitement des matériaux (MPC)-Centre pour la science et l'ingénierie des matériaux (CMSE) Justin Cheng a travaillé cet été au sein du groupe Quantum Nanostructures and Nanofabrication du professeur de génie électrique du MIT Karl K. Berggren pour développer des techniques spécialisées pour former ces motifs en or sur silicium . "Idéalement, nous voudrions pouvoir obtenir des matrices de nanoparticules d'or à ordonner complètement, " dit Cheng, un senior montant à l'Université Rutgers.

"Mon travail porte sur les bases de l'écriture d'un motif par lithographie par faisceau d'électrons, comment déposer l'or, et comment chauffer le substrat pour obtenir des matrices de particules complètement régulières, " explique Cheng.

Dans le laboratoire NanoStructures du MIT, Cheng a écrit du code pour produire un modèle qui guidera le démouillage d'un mince film d'or en nanoparticules, examiné des grilles partiellement ordonnées au microscope électronique, et travaillé en salle blanche pour développer une résine polymère, revêtement par rotation de la résine sur des échantillons, et le plasma nettoient les échantillons. Il fait partie d'une équipe qui comprend l'étudiante diplômée Sarah Goodman et l'associé postdoctoral Mostafa Bedewy. Il a également été assisté par James Daley, responsable du NanoStructures Lab.

"Les plasmons sont des oscillations collectives de la densité d'électrons libres à la surface d'un matériau, et ils donnent aux nanostructures métalliques des propriétés étonnantes qui sont très utiles dans des applications comme la détection, optiques et appareils divers, " Goodman a expliqué dans une présentation aux boursiers d'été en juin. " Les réseaux plasmoniques sont très bons pour les affichages visibles, par exemple, car leur couleur peut être ajustée en fonction de la taille et de la géométrie."

Ce processus de fabrication en plusieurs étapes commence par un revêtement par centrifugation d'hydrogène silsesquioxane (HSQ), qui est une réserve spéciale de faisceau d'électrons, ou masque, sur un substrat de silicium. Cheng a travaillé sur un logiciel utilisé pour écrire un motif sur la réserve par lithographie par faisceau d'électrons. Contrairement à certains résiste, HSQ devient plus résistant chimiquement lorsque vous l'exposez à des faisceaux d'électrons, il dit. L'ensemble du substrat mesure environ 1 centimètre sur 1 centimètre, note-t-il, et la zone d'écriture a une largeur d'environ 100 microns (ou 0,0001 centimètre).

Après l'étape de lithographie par faisceau d'électrons, la réserve est soumise à une solution de développement aqueuse (à base d'eau) d'hydroxyde de sodium et de chlorure de sodium, qui laisse derrière lui un réseau ordonné de poteaux au-dessus de la couche de silicium. "Lorsque nous mettons l'échantillon dans la solution développeur, toutes les zones les moins résistantes aux produits chimiques du masque HSQ se détachent, et seuls les postes restent, " dit Cheng. Ensuite, Daley dépose une couche d'or au-dessus des poteaux avec un dépôt physique en phase vapeur. Prochain, l'échantillon est traité thermiquement jusqu'à ce que la couche d'or se décompose en gouttelettes qui s'auto-assemblent en nanoparticules guidées par les poteaux.

Démouillage à l'état solide

Un phénomène sous-jacent clé de la science des matériaux à l'œuvre dans cet auto-assemblage, Cheng dit, est connu sous le nom de démouillage à l'état solide. "L'auto-assemblage est un processus où vous appliquez certaines conditions à un matériau qui lui permettent de subir une transformation sur une grande surface. C'est donc une technique de modelage très efficace, ", explique Goodman.

En raison de l'interaction répulsive entre les couches de silicium et d'or, l'or a tendance à former des gouttelettes, qui peuvent être cajolés dans des motifs autour des poteaux. Le groupe Berggren travaille en collaboration avec Carl V. Thompson, le professeur Stavros Salapatas de science et d'ingénierie des matériaux et le directeur du Centre de traitement des matériaux, qui est un expert en démouillage à l'état solide. A l'aide d'un microscope électronique à balayage, Cheng examine ces modèles pour déterminer leur qualité et leur cohérence. "L'or forme naturellement des gouttelettes car il y a une force motrice pour qu'il diminue la surface qu'il partage avec le silicium. Il n'a pas l'air complètement ordonné mais vous pouvez voir des débuts d'un certain ordre dans le démouillage, " il dit, tout en affichant une image SEM sur un ordinateur. "[Dans] d'autres images, vous pouvez clairement voir les débuts de la création de motifs."

"Quand on prend les poteaux et qu'on les rapproche, vous pouvez voir que l'or aime se mouiller en motifs quelque peu réguliers. Ce ne sont pas tout à fait réguliers dans tous les cas, mais pour certaines tailles et espacements de poteaux, nous commençons à voir des tableaux réguliers. Notre objectif est de fabriquer avec succès un réseau plasmonique de nanoparticules d'or monodispersées [de taille égale], " dit Cheng.

Goodman note que le groupe de Thompson a démontré un contrôle exquis sur le démouillage dans les films monocristallins à l'échelle du micron, mais le groupe Berggren espère étendre ce contrôle jusqu'à l'échelle nanométrique. "Ce sera un résultat vraiment clé si nous sommes en mesure d'apporter ce démouillage qui est magnifiquement contrôlé à l'échelle micro et de permettre cela à l'échelle nano, " dit Goodman.

Cheng dit que pendant son stage d'été dans le laboratoire de Berggren, il a appris à utiliser le microscope électronique à balayage et à connaître les processus de nanofabrication. "J'ai beaucoup appris. Mis à part le travail de laboratoire que je fais, J'ai créé des scripts pour le programme de CAO [LayoutEditor] que j'utilise, et j'utilise Matlab, trop, " dit-il. " En fait, j'ai beaucoup appris sur l'analyse d'images parce qu'il y a beaucoup d'étapes qui entrent dans l'analyse d'images. Puisque nous avons tant de données et tant d'images à analyser, Je le fais quantitativement et automatiquement pour m'assurer d'avoir une répétabilité."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.