Study of facile fabrication process for metal nanostructures using water-soluble polymeric templates
수용성 고분자 템플릿을 이용한 금속 나노 구조의 제조 공정 연구
- 주제(키워드) fabrication process , nanostructures , soft-lithography , polymeric template
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박은덕,김주형
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032788
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
This thesis investigated a novel method for metal nanostructures. The sacrificial layer material was fabricated as a water-soluble mold using soft lithography, and a thin film was formed through deposition and coating. The sacrificial mold was dissolved to obtain a simple nanostructure compared to those obtained by existing process technology. The fabricated nanostructure was optimized through surface analysis, and various materials were nanostructured to develop a new fabrication technology. The following four categories can be used to classify this thesis. (1) A sacrificial mold was fabricated through replica molding (soft lithography technique). A UV-curable polyurethane acrylate(PUA) was used as a mold for pattern replication by coating a polymer material (polyvinyl alcohol(PVA), polyvinyl butyral(PVB), and polyvinylpyrrolidone(PVP) used as a sacrificial layer) on a PUA mold. The sacrificial mold material was optimized by observing the difference in the surface morphology of the manufactured mold. (2) A thin film was prepared using a sacrificial mold as a substrate to fabricate metal- and metal oxide-based nanostructure. The thin film deposited by thermal evaporation could be separated by dissolving the sacrificial mold. The deposited thin film appears as a film of nanoparticles and open pores rather than a uniform film because the height of film is not greater than that of the pattern of the sacrificial mold. The surface morphology of the fabricated nanostructure was analyzed, and the process was optimized using the results. The optimized process was applied through the transfer printing method, and the aligned nanostructures were successfully fabricated. (3) Nanostructures of polymers, organic semiconductors, and metal oxides were fabricated (using a solution process) to apply this nanostructure fabrication method to various coating methods. A thin film was coated on the sacrificial mold using spin coating. Subsequently, nanowires and open-pore membranes were fabricated by dissolution, and aligned nanostructures were fabricated using the transfer printing method. (4) The fabricated nanostructure was intended to be used as a functional nanostructure. A metal grating structure was fabricated and applied as a polarizer, and the polarization effect according to the metal period was confirmed. In addition, the fabricated polymer pore membrane was used as a stencil for nanoparticle alignment, and the nanoparticles were successfully aligned.
more초록/요약
본 논문은 금속 재료를 중점으로 하여 기능적 역할을 수행하는 나노구조 제조를 위한 새로운 공정을 연구하였다. 희생층 물질을 소프트 리소그래피를 통해 몰드로 제작하고 그 위에 증착 및 코팅을 통해 박막을 형성하였다. 희생금형을 녹여 나노 구조를 얻어 기존 공정기술 대비 단순화를 이뤘다. 제조된 나노 구조체는 표면 형상 관찰을 통해 최적화되었으며, 본 연구에서는 새로운 제조기술을 개발하고 최적화하기 위해 다양한 물질이 증착 및 코팅되었고 이를 나노 구조화하였다. 이 논문의 주제는 다음 네 가지 범주로 분류할 수 있다. (1) 소프트 리소그래피 기법인 레플리카 몰딩을 통해 희생 몰드를 제작하였다. 100nm 이하의 고해상도를 구현할 수 있는 UV 경화형 PUA를 패턴 복제용 금형으로 사용하였다. PUA 몰드에 희생층으로 사용되는 고분자 재료(PVA, PVB, PVP)를 코팅하여 패턴을 복제하였다. 제작된 금형의 표면 형상의 차이를 관찰하여 희생금형의 재질을 최적화하였다. (2) 희생금형을 기판으로 사용하여 박막을 형성하여 금속과 금속산화물 나노구조체를 제조하였다. 열 증착에 의해 희생 몰드에 증착된 박막은 희생 몰드를 용해시켜 분리할 수 있다. 증착된 박막은 희생금형의 패턴 높이보다 높지 않기 때문에 필름 형태가 아닌 나노 입자 또는 열린 기공을 가진 막을 형성한다. 본 연구방법으로 제작된 나노 구조체는 표면 형상 관찰을 통해 분석하였고, 그 결과를 통해 공정을 최적화하였다. 전사 프린팅 방식을 통해 최적화된 공정을 적용하여 정렬된 나노 구조물을 성공적으로 제조하였다. (3) 이러한 나노 구조체 제조방법을 다양한 코팅법에 적용하기 위해 용액공정을 통해 고분자, 유기반도체, 금속산화물 등의 나노 구조체를 제조하였다. 스핀 코팅법을 이용하여 희생금형에 박막을 형성하고, 용해법으로 나노 와이어와 기공막을 제작하고, 전사 프린팅법을 이용하여 정렬된 나노 구조체를 제작하였다. (4) 제작된 나노 구조체는 기능적 역할을 하는 나노 구조체로 응용하고자 하였다. 금속 격자 구조를 제작하여 편광판으로 적용하여 금속 주기에 따른 편광 효과를 확인하였다. 또한, 제작된 고분자 기공막을 나노 입자 정렬을 위한 스텐실로 사용하여 성공적으로 나노 입자 정렬을 수행하였다.
more목차
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Overview of functional nanostructures 1
1.2 Soft-lithography 8
1.3 Transfer printing 14
1.4 Objectives 19
Chapter 2. Fabrication of micro/nano structured sacrificial molds via soft lithography 20
2.1 Introduction 20
2.2 Experimental 22
2.2.1 Preparation of UV-curable PUA molds for mold replication 22
2.2.2 Method for preparing polymer solution and making sacrificial mold 22
2.3. Results and discussion 24
2.4 Conclusions 38
Chapter 3. Fabrication of metal/metal oxide nanostructures by thermal evaporation using sacrificial molds 39
3.1 Introduction 39
3.1.1 Thermal deposition 41
3.2 Experimental 45
3.2.1 Preparation of the sacrificial molds 45
3.2.2 Thermal evaporation process using a sacrificial mold as a substrate 45
3.2.3 Delamination and lift-off process of the thermally deposited thin film 45
3.2.4 Preparation of slab PDMS for transfer printing 46
3.3 Results and discussion 47
3.3.1 Schematic of fabrication process for nanostructures 47
3.3.2 Surface morphology of metal/metal oxide 51
3.3.3 Optimized process for fabricating functional nanostructures 56
3.3.4 Fabrication of highly ordered nanostructures via transfer printing 58
3.3.5 Development process for advanced nanostructures 63
3.3.6 Application as a functional nanostructure 68
3.4 Conclusions 86
Chapter 4. Fabrication of nanostructures based on solution process 87
4.1 Introduction 87
4.1.1 Sol-gel synthesis 88
4.2 Experimental 89
4.2.1 Preparation of P3HT, PMMA solution and spin coating process 89
4.2.2 Preparation of ZnO precursor 90
4.2.3 ITO particle array via polymeric stencil 90
4.3 Results and discussion 91
4.3.1 Fabrication of polymer nanostructures via spin coating 91
4.3.2 Application of PMMA membrane 98
4.4 Conclusion 101
Chapter 5. Conclusions and future work 102
5.1 Conclusions 102
5.2 Future work 104
Bibliography 105
Abstract (국문초록) 118
