Three-Dimensional Crystalline and Homogeneous Metallic Nanostructures Using Directed Assembly of Nanoparticles

나노 입자의 직접 조립을 사용한 3 차원 결정질 및 균질 금속 나노 구조

Cihan Yilmaz,† Arif E. Cetin,‡ Georgia Goutzamanidis,† Jun Huang,† Sivasubramanian Somu,†
Hatice Altug,‡,§ Dongguang Wei,^ and Ahmed Busnaina†,*

†NSF Nanoscale Science and Engineering Center for High-Rate Nanomanufacturing (CHN), Northeastern University, Boston, Massachusetts 02115, United States, ‡
Photonics Center and Department of Electrical and Computer Engineering, Boston University, Boston, Massachusetts 02215, United States, §
Bioengineering Department, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL), Lausanne CH-1015, Switzerland, and ^
Carl Zeiss Microscopy, One Zeiss Drive, Thornwood, New York 10594, United States

ABSTRACT

나노 빌딩 블록의 직접 조립은 고유 한 특성을 가진 복잡한 나노 구조를 생성하는 다양한 경로를 제공합니다. 나노 입자의 상향식 조립은 이러한 기능적이고 새로운 나노 구조를 제작하는 가장 좋은 방법 중 하나로 간주되었습니다.

그러나 결정질, 고체 및 균질 나노 구조를 만드는 데 대한 연구가 부족합니다. 이를 위해서는 나노 입자의 조립을 유도하는 힘에 대한 근본적인 이해와 원하는 나노 구조의 형성을 가능하게하는 이러한 힘의 정밀한 제어가 필요합니다. 여기에서, 우리는 콜로이드 나노 입자가 외부에서 적용된 전기장을 사용하여 단일 단계로 조립되고 동시에 3D 고체 나노 구조로 융합 될 수 있음을 보여줍니다.

다양한 조립 매개 변수의 영향을 이해함으로써, 우리는 1 분 이내에 25nm의 작은 피처 크기를 가진 나노 기둥, 나노 박스 및 나노 링과 같은 복잡한 형상을 가진 3D 금속 재료의 제조를 보여주었습니다.

제작된 금 나노 기둥은 다결정 성질을 가지며 전기 도금 된 금보다 낮거나 동등한 전기 저항을 가지며 강력한 플라즈몬 공명(plasmonic resonances)을 지원합니다. 또한 제조 공정이 전기 도금만큼 빠르며 밀리미터 단위로 확장 할 수있는 다용도성을 보여줍니다. 이러한 결과는 제시된 접근법이 실온과 압력에서 수용액에서 새로운 3D 나노 물질 (균질 또는 하이브리드)의 제조를 용이하게 하는 동시에 반도체 나노 전자 공학 및 나노 포토닉스의 많은 제조 과제를 해결함을 의미합니다.

. Fabricating 3-D nanostructures through electric field-directed assembly of NPs. (a,b) NPs suspended in aqueous
solution are (a) assembled and (b) fused in the patterned via geometries under an applied AC electric field. (c) Removal of the
patterned insulator film after the assembly process produces arrays of 3-D nanostructures on the surface.

복잡한 지오메트리와 3 차원 (3-D) 아키텍처를 가진 나노 구조는 우수한 장치 성능과 소형화를 가능하게하기 때문에 최근 전자, 광학, 에너지 및 생명 공학을 포함한 많은 분야에서 상당한 관심을 받고 있습니다. 이러한 나노 구조를 제조하기위한 대부분의 접근 방식은 진공 기반 박막 증착 또는 전기 도금에 의존하며, 이는 시드 층과 많은 화학 첨가제를 필요로합니다. 나노 입자 (NPs)의 직접 조립은 실온과 압력에서 수용액에서 기능성 나노 물질과 나노 구조를 구축하는 유망한 대안 인 것으로 나타났습니다 .

중략…

 

Effect of via geometries on nanopillar formation. (ac) SEM images of (a) 50, (b) 100, (c) 200 nm-wide nanopillars.
The nanostructure height is 150 nm. (df) Cross-sectional view (from the 3-D simulation) of different size vias, revealing the
simulated localized electric field. (g) Electric field intensity in the via (at the center of the via) as a function of the aspect ratio
(depth/diameter) for different via diameters. The spacing between the vias is 1 μm in these simulations. (h) Electric field
intensity in the via (at the center of the via) as a function of the spacing between the vias. The via depth was 150 nm in these
simulations. The scale bars in the inset figures in (g) and (h) are 100 nm.

결정질, 고체 및 균질 나노 구조를 제조하는 연구는 부족합니다. 이것은 주로 NP의 조립 및 원하는 형상으로의 융합을 제어하는 ​​데 어려움이 있기 때문입니다. 입자 구성, 기능화 및 크기에 따라 NP의 조립 및 융합을 제어하는 ​​힘과 에너지가 다를 수 있습니다. 예를 들어, 현탁 매체를 기반으로하여 NP는 표면 에너지 및 전하와 같은 다른 표면 특성을 가질 수 있으며, 이는 조립 공정 및 기판과의 NP 상호 작용에 영향을 줄 수 있습니다 .

마찬가지로 더 큰 크기의 NP는 작은 것은 단단한 구조로 융합하기 어렵습니다. 원하는 재료와 기하학적 구조로 나노 구조를 성공적으로 제작하려면 조립 공정에 관련된 힘을 제어하는 ​​지배적 인 매개 변수를 식별하는 것이 중요합니다. 이 연구에서 우리는 다양한 금속 NP의 조립 및 융합을 가능하게하는 직접 조립 기술을 개발하여 표면에 고도로 조직화 된 3D 결정질, 고체 나노 구조를 제작했습니다.

이 기술에서는 콜로이드 NP가 조립되고 동시에 외부에서 적용된 전기장을 사용하여 3D 나노 구조로 융합됩니다. 이 방법을 사용하여 금, 구리, 알루미늄 및 텅스텐으로 만든 3 차원 나노 구조체를 시드 층과 화학 첨가제없이 실온과 압력에서 1 분 이내에 25nm의 작은 피처 크기로 제작했습니다.

나노 구조 치수의 제어는 전압, 주파수, 조립 시간 및 입자 농도와 같은 많은 지배 매개 변수의 함수로 조사되었습니다. 재료 및 전기적 특성은 제작 된 금 나노 구조가 다결정 특성을 가지며 매우 낮은 저항률 (1.96 10 7 Ω 3 m)을 가지고 있음을 보여줍니다. 제작 된 고체 3D 나노 구조는 또한 13nm의 좁은 선폭으로 강력한 플라즈 모닉 공명을 지원하는 높은 광학 품질을 보여줍니다. 이것은 단백질의 매우 민감한 플라즈몬 기반 바이오 센싱을 가능하게합니다.

자세한 내용은 본문을 참고하시기 바랍니다.

Capillary Flows/Capillary Filling/Thermocapillary Switch/Capillary Absorption/Marangoni flow

Capillary Flows

모세관 흐름은 일반적으로 미세 유체 장치에서 발생합니다. 예를 들어, 바이오 칩 설계에서는 한 곳에서 다른 곳으로 액체 용액을 전달하기 위해 긴 마이크로 채널이 자주 사용됩니다. 입구 채널은 액체 저장소에 연결되고 표면 장력은 액체를 마이크로 채널로 끌어 당깁니다 (액체가 칩 표면에 “젖은”경우). 이 페이지에서는 충진, 흡수 및 전환과 같은 모세관 흐름 분석에서 FLOW-3D의 특정 응용 분야를 다룹니다.

Marangoni flow in a dish of water that is heated at its center.

Marangoni flow는 중앙에서 데워진 물이 담긴 접시에 흐릅니다. 불균일한 표면 장력에 의해 생성 된 흐름은 20ºC의 초기 온도에서 0.75cm 깊이의 얕은 8.0cm 직경의 물 접시에 의해 입증됩니다. 원형 접시의 중앙에는 직경 0.5cm의 원통형 막대가 있습니다. 80 Cº의 온도로 가열하고 0.05 cm 깊이까지 수면에 담근다. 핫로드 근처의 물이 가열됨에 따라 표면 장력이 0.1678 dyne / cm / ºC만큼 감소하여 표면이 접시의 바깥 쪽 테두리쪽으로 후퇴합니다. Retraction는 처음에 표면에 뿌려진 질량없는 마커 입자로 표시됩니다.

Capillary Absorption

고체 물질의 기공에 모세관 흡수 때문에 액체와 고체 사이의 접착 발생합니다. 이 같은 흡수의 간단하면서도 유용한 시험은 핀란드 ABO Akademi 대학의 마르티 Toivakka에 의해 제안되었습니다. 테스트 기공은 ± 1.0 μm의 측면 벽 1.0 μm의 반경 원호입니다. 팽창 목에 연결된 넓은 2차원 채널로 구성되어 있습니다. 체적력의 부재 하에서, 표면장력 과 wall adhesion pull liquid 는 액체와 고체 사이의 static contact angle에 의해 결정됩니다. 첨부된 그림은 FLOW-3D가 올바르게 특정 접촉 각도 (유체는 적색표현) 충전 레벨을 계산하는 것을 나타냅니다.

Thermocapillary Switch

액체의 작은 덩어리나 가벼운 빔의 경로에서 움직이는 굴절, 혹은 반사로 다른 길로 리디렉션 할 수 있습니다. 이 개념은 특히나 한번 빔 내부 반사로 인해 갇혀 있는 섬유에 들어가 광학 섬유로 연결에서 매력적입니다. 어떠한 복잡성의 광 회로를 만들려면, 하나의 광섬유에서 다른 가벼운 방향을 바꿀 수 있는“스위치”를 둘 필요가 있습니다.

The animation above shows a FLOW-3D simulation of a drop of water in a 14mm-wide channel that is being heated at the bottom.

Capillary Filling

모세관 충전 과정을 이해하는 것은 칩 설계에 중요합니다.. 액체 흐름 통로의 다른 형상 포획 기포의 가능성 등의 충전 공정의 기술은, 같은 챔버와 칩의 내부 구조를 배치 기둥 분할하고, 밸브 결합에 설계자 안내 등 다양한 모세관 충전 동작이 발생할 수 있습니다.

시뮬레이션은 아래의 모세관 작용의 분석 예측의 유효성을 검사합니다. 모세관 채우기는 정확하게 표면 장력과 중력에 의해 균형을 잡습니다.이것은 FLOW-3D에 의해서 정확하게 예측되는 기본적인 과정입니다.

Solution-Coating Technology for AMOLEDDisplays

전자 장치 응용 분야를위한 솔루션 기반 코팅 방법은 비용 절감, 성능 향상 및 새로운 기능과 같은 많은 설득력있는 이유에 대한 집중적인 연구 노력의 초점입니다.

수동 및 능동 요소 솔루션 기반 코팅에 대한 응용 범위는 디스플레이에 걸쳐 있습니다. 

조명, 태양 전지, 센서, 무선 주파수 식별 (RFID)을 위한 무선 장치 및 의료 장치, 여기서 활성이라는 용어는 재료의 반도체 특성을 장치의 주요 기능으로 사용하는 것을 의미합니다. 예를 들어 다이오드 및 트랜지스터에서. 대량 생산을 달성한 대부분의 용액 기반 코팅 제품은 용액 코팅층의 전기 전도성 및 / 또는 광학적 또는 기계적 특성이 기능의 핵심인 수동 소자에 국한됩니다. 일부 예는 패턴화된 버스 라인, 반사 방지 필름, 평탄화 층 및 인광체 층입니다.

용액 코팅된 능동 소자의 몇 가지 예가 대규모 상업 생산을 달성했습니다. 액티브 매트릭스 유기 발광 다이오드 (AMOLED) 디스플레이는 유기 물질을 사용하여 핵심 활성 전자 층을 형성하는 유망한 기술입니다. AMOLED 디스플레이의 기존 상업 기술은 현재 열 증착을 사용합니다.

그리고 미세 금속 마스크를 사용하여 작은 분자 물질을 증착하지만 대형 유리로 확장하는 데는 잘 알려진 어려움이 있습니다 . 용액 코팅은 재료 낭비를 줄이고 코팅을 통해 AMOLED 생산에서 상당한 비용 절감 잠재력을 제공합니다. AMLCD 기술보다 더 낮은 비용으로 AMOLED 기술을 사용할 수 있습니다. 상세한 비용 모델은 솔루션 코팅 된 AMOLED가 소형 디스플레이 용 AMLCD보다 약 20 % 더 저렴할 수 있으며, 3 AMOLEDTV와 같은 대형 생산 라인 및 디스플레이 크기에서 비용 절감이 증가 할 것으로 예측합니다.

Solution-coated OLED fabrication can be achieved using the above process flow

DuPont Displays는 높은 AMOLED 제조 비용을 해결하기 위해 고성능 재료 및 솔루션 처리 기술의 전체 세트를 개발했습니다. 우리는 기존의 상업용 증착 기술에 비해 비용과 성능 경쟁력을 갖도록 코팅 공정을 최적화했습니다.

평판 디스플레이의 밝기 및 색상 균일 성 사양은 솔루션 코팅 AMOLED 레이어에 대한 까다로운 두께 및 균일 성 요구 사항을 제시합니다. 다양한 맞춤형 모델링 및 분석 접근 방식을 사용하여 대형 유리 크기에서 상업적으로 실행 가능한 단거리 및 장거리 필름 두께 제어 및 단일성을 개발했습니다. 이러한 코팅 기술 향상은 다른 솔루션 기반 응용 프로그램으로도 확장되어야합니다.

자세한 내용은 첨부 문서를 참고하시기 바랍니다.

Optofluidics

Optofluidics

광유체학(Optofluidics)은 광학 분야와 미세유체학 분야를 합친 것입니다. 대부분의 광유체 응용은 렌즈를 만들기 위해 다양한 굴절률의 유체를 사용하는 것을 포함합니다. 이 접근 방식의 주요 장점은 렌즈의 동적 재구성 가능성입니다. 또한, 미세 유체 흐름은 이전에는 달성할 수 없었던 해상도를 달성하는 현미경에 이 기술을 쉽게 통합할 수 있도록 합니다. 마이크로 유체 소자에 빛을 집중시키는 마이크로 유체 소자 분야에서는 광학적 특성화가 필요한 랩온 어 칩 애플리케이션에 중요합니다. 마이크로 채널에서 나오는 빛의 효율적인 조명과 반사는 장치의 성능에 매우 중요합니다.

FLOW-3D는 L2 (Liquid core-liquid cladding) 렌즈와 같은 미세 유체 렌즈의 형성과 관련된 유체 역학을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.

Capillary Flows

Capillary Flows

모세관 흐름은 일반적으로 미세 유체 장치에서 발생합니다. 예를 들어, 바이오 칩 설계에서 긴 마이크로 채널은 종종 액체 용액을 한 장소에서 다른 장소로 전달하는 데 사용됩니다. 입구 채널은 액체 저장소에 연결되고 표면 장력이 액체를 마이크로 채널로 당깁니다(액체가 칩 표면에 “습기”되는 경우). 이 페이지에서는 충전, 흡수 및 전환과 같은 모세관 흐름 분석에서 FLOW-3D에 대한 몇 가지 특정 용도에 대해 다룹니다.

Marangoni Flows

마랑고니는 그 중심에 가열된 물 접시에 흐릅니다. 균일하지 않은 표면 장력에 의해 발생하는 흐름은 20ºC의 초기 온도에서 깊이 0.75cm의 얕은 8.0cm의 물 접시에 의해 입증됩니다. 원형 접시 중앙에 놓인 원통형 막대는 직경 0.5cm로 80Cº의 온도로 가열되고 0.05cm의 깊이까지 수면에 잠깁니다. 핫 로드 주변의 물이 가열되면 표면 장력이 0.1678dyne/cm/ºC만큼 감소하여 표면이 접시의 바깥쪽 림 쪽으로 수축됩니다. 수축은 처음에 표면에 뿌려진 질량이 없는 마커 입자에 의해 나타납니다.

Capillary Filling

모세관 충전 공정을 이해하는 것은 칩 설계에 중요합니다. 액체 흐름 경로의 기하학적 구조가 다르면 기포를 고정할 수 있는 등의 모세관 충진 동작이 달라질 수 있습니다. 충전 프로세스에 대한 지식은 설계자가 챔버, 결합 기둥, 분할 및 밸브와 같은 칩의 내부 구조를 정렬하는 데 도움이 됩니다. 오른쪽의 시뮬레이션은 모세관 작용의 분석적 예측을 검증합니다. 모세관 충전은 표면 장력과 중력에 의해 균형을 이루며, 이는 FLOW-3D로 정확하게 예측되는 기본 공정입니다.

Thermocapillary Switch

910/5000광선의 경로 안팎으로 이동하는 소량의 액체는 굴절이나 반사를 통해 다른 경로로 방향을 바꿀 수 있습니다. 이 개념은 광선이 광섬유에 들어가면 내부 반사에 의해 포착되는 광섬유와 관련하여 특히 매력적입니다. 복잡한 광학 회로를 만들려면 한 광섬유에서 다른 광섬유로 빛을 리디렉션 할 수있는 “스위치”가 필요합니다.

제안 된 한 가지 개념은 열 모세관을 기반으로합니다. 광섬유 광선을 교차하는 마이크로 채널에 액체의 작은 방울을 놓습니다. 방울이 채널을 따라 빔이 통과해야하는 곳으로 이동하면 빔이 다른 섬유로 반사됩니다. 방울은 양면을 다르게 가열하여 이동합니다. 이것은 방울이 채널의 더 차가운 끝쪽으로 당겨 지도록 방울의 양쪽에있는 반월판의 표면 장력의 변화를 일으 킵니다.

Whole Blood Spontaneous Capillary Flow

Sketch of the cross section of the device (w=150 µm, h1=300 µm, h2=1200 µm, α=14.5o)

모세관 기반 마이크로 시스템은 추가 작동 메커니즘이 필요하지 않기 때문에 저렴하고 제작하기 쉽습니다. 마이크로펌프나 주사기와 같은 일반적인 마이크로 시스템은 부피가 크고 휴대할 수 없는 흐름 작동을 필요로 합니다.

버팔로 대학의 최근 연구는 모세관 유동 작용을 사용하여 미세 기기에서 액체를 이동시키는 간단한 해결책을 연구했습니다. 이 작업은 FLOW-3D를 사용하여 수정된 V-그루브 채널에서 자발적 모세관 흐름을 시뮬레이션합니다. 좁은 V-그루브 기하학(왼쪽)은 전혈과 같은 높은 점도의 유체도 이 유체를 통해 이동할 수 있기 때문에 좋은 솔루션을 제공합니다. 홈의 끝부분은 자발적인 모세관 흐름을 촉진하고 평행판은 충분한 혈액수송을 보장합니다.

본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 채널 내 유체 헤드의 유속과 액체 전방의 진행을 추정합니다.

결과는 실험 및 분석(간단한) 결과와 비교됩니다. 아래 그림은 수치, 실험 및 분석 결과의 비교를 보여줍니다. FLOW-3D 결과는 실험 결과와 매우 일치합니다.

FLOW-3D Results

Analysis A: FLOW-3D results in red circles at the mid flow height, experimental results in green dots recorded at the medium fluid height, analytical results in green dashes
Analysis B: FLOW-3D results in red circles at the mid flow height, experimental results in green dots recorded at the medium fluid height, analytical results in green dashes

Animation of the results post-processed in FlowSight.

References

J. Berthiera, K.A. Brakke, E.P. Furlani, I.H. Karampelas, V. Pohera, D. Gosselin, M. Cubizolles, P. Pouteau, Whole blood spontaneous capillary flow in narrow V-groove microchannels, Sensors and Actuators B: Chemical, 2014

Micro/Bio/Nano Fluidics

Micro/Bio/Nano Fluidics

기계적, 유체적, 광학적 및 전자적 기능을 매우 작은 패키지에 통합한 현대적인 마이크로 유체 장치는 비용, 규모 및 대규모 시스템에 직접 통합하는 능력 면에서 기존 장치에 비해 중요한 장점을 가지고 있다. 3D모델링 및 시각화는 풍부한 기능을 제공하는 효율적인 도구이다. Ivy분석을 통해 연구 시간, 설계 및 생산 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 마이크로, 바이오 및 나노 유체 역학은 FLOW-3D의 자유 표면 및 다중 유체 모델링 기능으로 쉽고 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 이 섹션의 시뮬레이션을 통해 보다 잘 이해할 수 있는 다양한 애플리케이션과 프로세스를 살펴보시기 바랍니다.

FLOW-3D는 시각적 관찰과 양호한 정량적 추세 예측을 바탕으로 우수한 정성적 합의를 제공했습니다. 마찬가지로 중요한 것은 소프트웨어가 설계 민감도를 정확하게 예측한다는 점이다. 그 결과, FLOW-3D는 Kodak의 고급 연구 개발 작업을 지원하는 데 유용한 통찰력을 제공했습니다.

FLOW-3D는 시각적 관찰과 양호한 정량적 추세 예측을 바탕으로 우수한 정성적 합의를 제공했습니다. 마찬가지로 중요한 것은 소프트웨어가 설계 민감도를 정확하게 예측한다는 점이다. 그 결과, FLOW-3D는 Kodak의 고급 연구 개발 작업을 지원하는 데 유용한 통찰력을 제공했습니다.

Christopher Delametter, Senior Research Scientist, Eastman Kodak Company

Acoustophoresis
Acoustophoresis
Microfluidics palette
Cell Behavior
Microfluidics particle sorting using hydrodynamics
Continuous Flow Microfluidics
Digital microfluidics
Digital Microfluidics
Droplet based microfluidics
Droplet Based Microfluidics
Optofluidics
Optofluidics
Phase change
Phase Change

Customer Case Studies

육안으로 볼 수 있는 것보다 더 작은 도전은 FLOW-3D를 사용하여 미세 유체 소자 응용 프로그램을 모델링하는 고객들이 매일 직면하는 과제입니다. FLOW-3D를 통해 이러한 엔지니어와 과학자들은 실험실에서 복제할 수 없는 것을 모델링하고, 생명을 구하는 의료 기기를 검증하고, 잉크젯 형성을 연구하며, 경우에 따라 육안 모델을 제작할 수 있습니다. 때로는 가장 작은 문제가 가장 큰 문제이기도 하지만, FLOW-3D가 도움이 될 수 있습니다.

CFD analysis of stem cell culture
Advances in Nanotechnology
Computational analysis drop formation low viscosity
Computational Analysis of Drop Formation and Detachment
Inkjet formations simulations
Inkjet Printhead Performance
Thermal bubble model
Kodak Develops New Printhead Design in 1/3rd the Time
Photonic switching platform
Microscopic Bubbles Switch Fiber-Optic Circuits
Blood volumetric fraction
Optimization of Magnetic Blood Cleansing Microdevices

Lab-on-a-chip – Optofluidics (광 유체)

Optofluidics (광 유체)

  • 광학과 미세 유체의 조합
    – 다른 매체에서 빛의 속도 변화
  • 응용
    – 의료 진단 분야
    – 음식과 농업 분야
    – 물의 염분 제거 분야
    – 에너지 분야

광 유체의 L2 렌즈

  • 팽창 실 내부에 L2렌즈(곡률)가 형성됨
    – 피복 및 코어 유입구의 상대 유량
  • 렌즈의 곡률은 빛을 집중시킬 수 있음
  • 기존 렌즈 대비 장점
    – 동적으로 재구성 가능
    – 렌즈의 매끄러운 인터페이스
    – 손쉬운 통합 및 사전 정렬

FLOW-3D를 이용한 곡률 검증

  • 유량에 따른 곡률 변화
    – 가변 코어 유량 (VCF) 비율 사례 연구
    – 고정 코어 유량 (FCF) 비율 사례 연구

다양한 렌즈의 구성 – VCF와 FCF


실험과 FLOW-3D의 결과에 대한 검증

  • 실험 데이터와의 정확한 일치
  • 인터페이스 곡률을 기반으로 렌즈 특성을 예측하는데 FLOW-3D를 사용할 수 있음