One-step 3D microstructuring of PMMA using MeV light ions

The conventional procedure for creating 3D microstructures in resists by ion beam lithography consists of two stages – exposure and developing. However, single stage of manufacturing 3D structures in resist is also possible. Irradiation of PMMA can cause it to shrink. This feature of the polymer can be used for one-step three-dimensional microstructuring, which simplifies the manufacturing process. The shrinkage of PMMA film on a substrate has been extensively studied, while research on free-standing film is not comprehensive. The use of free-standing PMMA film allows the creation of a flexible material with 3D microstructures, which can be used in medicine, optics, and electronics. The question here is whether the results obtained for the PMMA film on the substrate are applicable to the freestanding film. Since the nature of shrinking is outgassing of volatile products, the film on the substrate has only one surface for the release of gases, while in the free-standing film, gases can be released from the sample from both sides. Therefore, the shrinking in the free-standing film occurs on both sides. The aim of this work is to study the shrinkage of the free-standing film and compare it with that of the film of the same thickness coated on the substrate

Povrchová modifikace různých krystalických facet ZnO vysokoenergetickým ozářením těžkými ionty

Self-assembled surface nanoscale structures on various ZnO facets are excellent templates for the deposition of semiconductor quantum dots and manipulation with surface optical transparency. In this work, we have modified the surface of c-, m- and a-plane ZnO single-crystals by high-energy W-ion irradiation with an energy of 27 MeV to observe the aspects of surface morphology on the optical properties. We kept ion fluences in the range from 5 x 10(9) cm(-2) to 5 x 10(11) cm(-2) using the mode of single-ion implantation and the overlapping impact mode to see the effect of various regimes on surface modification. Rutherford backscattering spectroscopy in the channeling mode (RBS-C) and Raman spectroscopy have identified a slightly growing Zn-sublattice disorder in the irradiated samples with a more significant enhancement for the highest irradiation fluence. Simultaneously, the strong suppression of the main Raman modes and the propagation of the modes corresponding to polar Zn-O vibrations indicate disorder mainly in the O-sublattice in non-polar facets. The surface morphology, analysed by atomic force microscopy (AFM), shows significant changes after ion irradiation. The c- and a-plane ZnO exhibit the formation of small grains on the surface. The m-plane ZnO forms a sponge-like surface for lower fluences and grains for the highest fluence. The surface roughness itself increases with the irradiation fluence as shown by AFM measurement as well as spectroscopic ellipsometry (SE) analysis. The damage caused by high-energy irradiation leads to non-radiative processes and suppression of the near-band-edge peak as well as the deep-level emission peak in the photoluminescence spectra. Furthermore, the refraction index n and the extinction coefficient k of irradiated samples, determined by SE, have features corresponding to the particular exciton states blurred and are slightly lower in the optical bandgap region especially for the polar c-plane ZnO facet.Samostatně sestavené povrchové nanostruktury na různých ZnO fasetách jsou vynikající šablony pro depozici polovodičových kvantových teček a manipulaci s povrchovou optickou transparentností. V této práci jsme upravili povrch c-, m- a a-rovinných monokrystalů ZnO vysokoenergetickým W-iontovým ozářením s energií 27 MeV, abychom sledovali aspekty povrchové morfologie na optických vlastnostech. Udržovali jsme fluence iontů v rozsahu od 5 x 10(9) cm(-2) do 5 x 10(11) cm(-2) pomocí režimu jednoiontové implantace a režimu překrývajícího se nárazu, abychom viděli účinek různých režimy povrchových úprav. Rutherfordova spektroskopie zpětného rozptylu v kanálovém módu (RBS-C) a Ramanova spektroskopie identifikovaly mírně rostoucí poruchu podmřížky Zn v ozařovaných vzorcích s výraznějším zesílením pro nejvyšší fluence ozáření. Současně silné potlačení hlavních Ramanových módů a šíření módů odpovídajících polárním Zn-O vibracím svědčí o nepořádku především v O-podmřížce u nepolárních faset. Morfologie povrchu, analyzovaná mikroskopií atomárních sil (AFM), vykazuje významné změny po ozáření ionty. C- a a-rovina ZnO vykazuje tvorbu malých zrn na povrchu. M-rovina ZnO tvoří houbovitý povrch pro nižší fluence a zrna pro nejvyšší fluence. Samotná drsnost povrchu se zvyšuje s fluencem ozáření, jak ukazuje měření AFM a také analýza spektroskopické elipsometrie (SE). Poškození způsobené vysokoenergetickým ozářením vede k neradiačním procesům a potlačení píku na okraji pásma i píku hloubkové emise ve fotoluminiscenčním spektru. Dále, index lomu n a extinkční koeficient k ozářených vzorků, stanovené pomocí SE, mají znaky odpovídající konkrétním excitonovým stavům rozmazané a jsou mírně nižší v oblasti optické mezery, zejména pro fasetu ZnO v polární rovině c

Implantace energetických Au iontů do ZnO nanopilířů pro modulaci optické odezvy

Nanopillars of ZnO were implanted with Au-400 keV ions at various ion fluences from 1 x 10(15) cm(-2) to 1 x 10(16) cm(-2) and subsequently annealed at 750 degrees C for 15 min in order to reduce the implantation damage and to support Au nanoparticle (NP) aggregation. It was found that implantation-induced effects and thermal effects influence the Au NP coalescence as well as the quality of the ZnO nanopillars. Rutherford Back-Scattering spectrometry (RBS) showed the broader Au-depth profiles than it was theoretically predicted, but the Au-concentration maximum agrees well with prediction taking into account the effective ZnO layer density. The implantation at the higher fluences induced the morphology modification of the nanopillar layer evidenced by RBS and scanning electron microscopy (SEM). An indirect evidence of this effect was given by optical ellipsometry due to gradual refractive index changes in the ZnO nanopillars with the increased Au-ion fluence. Optical characterization of the Au-implanted and annealed nanopillars performed by means of photoluminescence (PL) and diffuse-reflectance spectroscopy (DRS) evidenced the surface plasmon resonance (SPR) activity of the embedded Au NPs. The SPR-enhanced scattering and PL emission observed in the spectral range 500-650 nm are ascribed to Au NPs or more complex Au-clusters. In addition, the ellipsometry measurements of extinction coefficient are found to corroborate well results from DRS, both indicating increase of SPR effect with the increase of Au-ion fluence and after the post-annealing.Do nanopilířů ZnO byly implantovány ionty Au-400 keV při různých fluktuacích iontů od 1 x 10(15) cm(-2) do 1 x 10(16) cm(-2) a následně žíhány při 750 stupních C po dobu 15 min, aby se snížilo poškození implantace a podpořila se agregace nanočástic Au (NP). Bylo zjištěno, že efekty vyvolané implantací a tepelné efekty ovlivňují koalescenci Au NP a také kvalitu nanopilířů ZnO. Rutherfordova zpětná rozptylová spektrometrie (RBS) ukázala širší profily hloubky Au, než bylo teoreticky předpovězeno, ale maximum koncentrace Au dobře souhlasí s predikcí, která bere v úvahu efektivní hustotu vrstvy ZnO. Implantace při vyšších fluencesách vyvolala morfologickou modifikaci nanopilární vrstvy doloženou RBS a rastrovací elektronovou mikroskopií (SEM). Nepřímý důkaz tohoto efektu poskytla optická elipsometrie v důsledku postupných změn indexu lomu v nanopilárech ZnO se zvýšeným fluencem Au-iontů. Optická charakterizace Au-implantovaných a žíhaných nanopilárů provedená pomocí fotoluminiscence (PL) a difuzně-reflexní spektroskopie (DRS) prokázala aktivitu povrchové plasmonové rezonance (SPR) vložených Au NP. SPR-enhanced rozptyl a PL emise pozorované ve spektrálním rozsahu 500-650 nm jsou připisovány Au NP nebo složitějším Au-klastrům. Kromě toho bylo zjištěno, že elipsometrická měření extinkčního koeficientu dobře potvrzují výsledky z DRS, což ukazuje na zvýšení účinku SPR se zvýšením fluence Au-iontů a po následném žíhání