Los patrones ordenados de nanopartículas de oro sobre una base de silicio pueden estimularse para producir ondas de electrones colectivas conocidas como plasmones que absorben solo ciertas bandas estrechas de luz. haciéndolos prometedores para una amplia gama de matrices y tecnologías de visualización en medicina, industria, y la ciencia.

Centro de procesamiento de materiales (MPC) -Centro de ciencia e ingeniería de materiales (CMSE) El becario de verano Justin Cheng trabajó este verano en el grupo de nanoestructuras cuánticas y nanofabricación del profesor del MIT Karl K. Berggren para desarrollar técnicas especializadas para formar estos patrones en oro sobre silicio . "Idealmente, nos gustaría poder obtener matrices de nanopartículas de oro para que estén completamente ordenadas, "dice Cheng, un estudiante de último año en la Universidad de Rutgers.

"Mi trabajo trata sobre los fundamentos de cómo escribir un patrón usando litografía por haz de electrones, como depositar el oro, y cómo calentar el sustrato para que podamos obtener matrices de partículas completamente regulares, "Explica Cheng.

En el laboratorio de nanoestructuras del MIT, Cheng escribió código para producir un patrón que guiará la deshumectación de una fina película de oro en nanopartículas, examinó rejillas parcialmente ordenadas con un microscopio electrónico, y trabajó en una sala limpia para desarrollar un polímero resistente, Recubra por centrifugación la capa protectora sobre las muestras, y plasma limpian las muestras. Es parte de un equipo que incluye a la estudiante de posgrado Sarah Goodman y la asociada postdoctoral Mostafa Bedewy. También contó con la asistencia del director del laboratorio de nanoestructuras, James Daley.

"Los plasmones son oscilaciones colectivas de la densidad de electrones libres en la superficie de un material, y le dan a las nanoestructuras metálicas propiedades asombrosas que son muy útiles en aplicaciones como la detección, óptica y varios dispositivos, "Goodman explicó en una presentación a Summer Scholars en junio." Las matrices plasmónicas son muy buenas para pantallas visibles, por ejemplo, porque su color se puede ajustar en función del tamaño y la geometría ".

Este proceso de fabricación de varios pasos comienza con el recubrimiento por centrifugación de silsesquioxano de hidrógeno (HSQ), que es una resistencia especial de haz de electrones, o mascarilla, sobre un sustrato de silicio. Cheng trabajó en un software utilizado para escribir un patrón en la resistencia a través de la litografía por haz de electrones. A diferencia de algunos resiste, HSQ se vuelve más resistente químicamente a medida que lo expone a haces de electrones, él dice. Todo el sustrato mide aproximadamente 1 centímetro por 1 centímetro, él nota, y el área de escritura tiene aproximadamente 100 micrones (o 0,0001 centímetros) de ancho.

Después del paso de litografía por haz de electrones, la capa protectora se pasa a través de una solución reveladora acuosa (a base de agua) de hidróxido de sodio y cloruro de sodio, lo que deja una serie ordenada de postes en la parte superior de la capa de silicio. "Cuando colocamos la muestra en la solución reveladora, todas las áreas menos resistentes a los productos químicos de la máscara HSQ se desprenden, y solo quedan las publicaciones, "Dice Cheng. Entonces, Daley deposita una capa de oro en la parte superior de los postes con deposición física de vapor. Próximo, la muestra se trata térmicamente hasta que la capa de oro se descompone en gotitas que se autoensamblan en nanopartículas guiadas por los postes.

Deshumectación de estado sólido

Un fenómeno subyacente clave de la ciencia de los materiales que actúa en este autoensamblaje, Cheng dice, se conoce como deshumectación en estado sólido. "El autoensamblaje es un proceso en el que se aplican ciertas condiciones a un material que le permiten sufrir una transformación en un área grande. Por lo tanto, es una técnica de modelado muy eficiente, Goodman explica.

Debido a la interacción repulsiva entre las capas de oro y silicio, el oro tiende a formar gotitas, que se puede convencer en patrones alrededor de las publicaciones. El grupo Berggren está trabajando en colaboración con Carl V. Thompson, el Profesor Stavros Salapatas de Ciencia e Ingeniería de Materiales y el director del Centro de Procesamiento de Materiales, que es un experto en deshumectación en estado sólido. Usando un microscopio electrónico de barrido, Cheng examina estos patrones para determinar su calidad y consistencia. "El oro forma gotas de forma natural porque hay una fuerza impulsora para que disminuya el área de superficie que comparte con el silicio. No parece completamente ordenado, pero se pueden ver comienzos de algún orden en la deshumectación, " él dice, mientras muestra una imagen SEM en una computadora. "[En] otras imágenes se pueden ver claramente los inicios de la creación de patrones".

"Cuando tomamos las publicaciones y las acercamos, puede ver que al oro le gusta rociar en patrones algo regulares. Estos no son completamente regulares en todos los casos, pero para ciertos tamaños y espacios de poste, empezamos a ver matrices regulares. Nuestro objetivo es fabricar con éxito una matriz plasmónica de ordenados, nanopartículas de oro monodispersas [de igual tamaño], ", Dice Cheng.

Goodman señala que el grupo de Thompson ha demostrado un control exquisito sobre la deshumectación en películas monocristalinas a escala micrométrica. pero el grupo Berggren espera extender este control hasta la nanoescala. "Este será un resultado realmente clave si podemos llevar esta deshumectación que está bellamente controlada en la microescala y habilitarla en la nanoescala, "Dice Goodman.

Cheng dice que durante su pasantía de verano en el laboratorio de Berggren, aprendió a operar el microscopio electrónico de barrido y aprendió sobre los procesos de nanofabricación. "He aprendido mucho. Aparte del trabajo de laboratorio que estoy haciendo, He estado escribiendo para el programa CAD [LayoutEditor] que utilizo, y he estado usando Matlab, también, ", dice." De hecho, aprendí mucho sobre el análisis de imágenes porque hay muchos pasos en el análisis de imágenes. Dado que tenemos tantos datos y tantas imágenes para analizar, Lo hago de forma cuantitativa y automática para asegurarme de tener repetibilidad ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.