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Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen mittels Zwei-Photonen-Absorption aus der Gasphase

Schwarz, Nicolai (2024)
Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen mittels Zwei-Photonen-Absorption aus der Gasphase.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027520
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen mittels Zwei-Photonen-Absorption aus der Gasphase
Language: German
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Klotzbücher, Dr. Thomas
Date: 20 June 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xi, 158 Seiten
Date of oral examination: 14 February 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027520
Abstract:

Der hier vorgestellte Lösungsansatz ermöglicht das Laserdirektschreiben metallischer Nanostrukturen aus der Gasphase mittels Zwei-Photonen-Absorption (2PA). Es wurden metallhaltige Prekursoren identifiziert, die sich zur photolytischen Bindungsaufspaltung eignen. Dazu wurden vor allem Metalle untersucht, deren plasmonische Anregung im optisch sichtbaren Bereich liegt. Dazu gehören Silber, Gold und Kupfer. In dieser Arbeit wurden Experimente mit Vinyltriethylsilan(Hexafluoroacetylacetonat)-Silber(I) ((hfac)Ag(VTES)) und Vinyltrimethylsilan(Hexafluoroacetylacetonat)Kupfer(I) ((hfac)Cu(VTMS)) durchgeführt. Für diese Prekursoren wurde die optische Absorption mittels UV/VIS-Spektroskopie ermittelt und deren Verdampfungseigenschaften charakterisiert. Der Prekursor wurde dabei in einer eigens konstruierten Prozesskammer verdampft und photolytisch auf ein Substrat abgeschieden. Die Strukturgröße lag im Nanometerbereich unterhalb des Beugungslimits. Dies wurde durch den optischen, nichtlinearen Effekt der 2PA erreicht. Die Anregung eines Moleküls mit zwei Photonen findet nur in Bereichen mit sehr hoher Photonendichte statt, z. B. im Zentrum eines fokussierten, gepulsten Laserstrahls mit kurzen Pulsdauern im fs-Bereich. Zur Generierung solcher kurzen Pulse wurde ein Titan:Saphir-Laser (Ti:Sa-Laser) benutzt. Der Prekursor (hfac)Ag(VTES) wurde in Vorversuchen auf seine Eignung zur photolytischen Gasphasenabscheidung überprüft. Sowohl das Belichten des flüssigen Prekursors mit einem 405 nm-Diodenlaser, als auch die Abscheidung aus der Gasphase durch eine Einphotonenabsorption mit Hilfe eines Excimerlasers (193 nm) sind erfolgreich verlaufen. Eine Abscheidung mittels 2PA durch den Ti:Sa-Laser konnte in flüssigem Prekursor erbracht werden, welche als Basis für eine Abscheidung aus der Gasphase diente. Die Abscheidung erfolgte zunächst planar zweidimensional und wurde dann in die dritte Dimension erweitert. Für beide Abscheidungsarten wurden Prozessfenster, abhängig von Laserleistung, Temperatur und Schreibgeschwindigkeit, ermittelt. Quasidreidimensionale Nanostrukturen konnten abgeschieden werden, deren Gesamthöhe bei einigen 100nm liegt. Darauf aufbauend wurden Schreibstrategien zur Abscheidung dreidimensionaler Nanostrukturen entworfen und erprobt, um größere, freistehende Strukturhöhen zu erreichen. Dazu wurden die laterale Breite und die Höhe der Strukturen in Relation zur Belichtungszeit und Laserleistung gesetzt. Freistehende dreidimensionale Strukturen mit beliebigen Freiformen im Nanometerbereich konnten noch nicht hergestellt werden. Die Abscheidung von zweidimensionalen Silber-Nanostrukturen aus der Gasphase unterhalb der Beugungsgrenze mittels 2PA konnte erfolgreich auf verschiedenen Substraten wie Glas, Saphir, Indiumzinnoxid (ITO) und Silizium demonstriert werden. Es konnten klar definierte Strukturen mit einer minimalen Größe von bis zu 400nm abgeschieden werden. Die Silberstrukturen wurden mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) auf ihre elementare Zusammensetzung untersucht und weisen einen Silberanteil von 86% auf. Zusammenhängende Gitterstrukturen, die plasmonische Eigenschaften aufweisen sollen, konnten mit diesem Verfahren erzeugt und spektroskopisch auf charakteristische Banden hin im FTIR-Mikroskop untersucht werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The approach presented here enables laser direct writing of metallic nanostructures from the gas phase using two-photon absorption (TPA). Metal-containing precursors suitable for photolytic bond breaking were identified. Metals whose plasmonic excitation is in the optically visible range were primarily investigated. These include silver, gold and copper. Within this work, the experiments were carried out with (hfac)Ag(VTES) and (hfac)Cu(VTMS). For these precursors, the optical absorption was determined by UV/VIS spectroscopy and their evaporation properties were characterized. The precursor is evaporated in a specially constructed process chamber and photolytically deposited onto a substrate. The structure size is in the nanometer range below the diffraction limit. This is achieved by the optical nonlinear effect TPA. Excitation of a molecule with two photons occurs only in regions of very high photon density, for example in the center of a focused, pulsed laser beam with short pulse durations in the fs range. A Ti:sapphire-laser is used to generate such short pulses. Preliminary experiments were performed to test the precursor (hfac)Ag(VTES) for its suitability for photolytic vapor deposition. Both exposure of the liquid precursor with a 405nm diode laser and deposition from the gas phase by single-photon absorption using an eximer laser (193 nm) were successful. A deposition by 2PA with a Ti:Sa-Laser could be demonstrated in liquid precursor, serving as a base for the deposition from the gas phase. The deposition was initially made planar two-dimensional and then extended to the third dimension. Process windows, depending on laser power, temperature and writing speed, were determined for both deposition modes. Quasi-three-dimensional nanostructures could be deposited with a total height of a few 100 nm. Based on this, writing strategies for the deposition of three-dimensional nanostructures were designed and tested in order to achieve larger, free-standing structures. For this purpose, the lateral width and the height of the structures were related to the exposure time and laser power. Free-standing three-dimensional structures with arbitrary free shapes in the nanometer range could not be fabricated yet. The deposition of two-dimensional silver nanostructures from the gas phase with a resolution below the diffraction limit, using TPA was successfully demonstrated on various substrates such as glass, sapphire, indium tin oxide and silicon. Well-defined structures with a minimum size down to 400nm could be deposited. The silver structures were analyzed with energy-dispersive X-ray spectroscopy for their elemental composition and exhibit a silver content of 86%. Lattice structures with plasmonic properties could be fabricated by this method and spectroscopically analyzed for characteristic bands in a FTIR microscope.

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-275203
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 20 Jun 2024 12:19
Last Modified: 21 Jun 2024 07:03
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27520
PPN: 51928934X
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