Order quantification of hexagonal periodic arrays fabricated by in situ solvent-assisted nanoimprint lithography of block copolymers

arXiv:1403.2250v1Directed self-assembly of block copolymer polystyrene-b-polyethylene oxide (PS-b-PEO) thin film was achieved by a one-pot methodology of solvent vapor assisted nanoimprint lithography (SAIL). Simultaneous solvent-anneal and imprinting of a PS-b-PEO thin film on silicon without surface pre-treatments yielded a 250 nm line grating decorated with 20 nm diameter nanodots array over a large surface area of up to 4' wafer scale. The grazing-incidence small-angle x-ray scattering diffraction pattern showed the fidelity of the NIL stamp pattern replication and confirmed the periodicity of the BCP of 40 nm. The order of the hexagonally arranged nanodot lattice was quantified by SEM image analysis using the opposite partner method and compared to conventionally solvent-annealed block copolymer films. The imprint-based SAIL methodology thus demonstrated an improvement in ordering of the nanodot lattice of up to 50%, and allows significant time and cost reduction in the processing of these structures.The research leading to these results received funding from the European Union FP7 under the project LAMAND (grant agreement n° 245565), NANOFUNCTION (grant agreement no. 257375, FP7-ICT-2009-5) and by the Spanish Ministry of Economics and Competitiveness under project TAPHOR contract no. MAT2012-31392 (Plan Nacional de I + D + I (2008–2011)Peer Reviewe

Order quantification of hexagonal periodic arrays fabricated by in situ solvent-assisted nanoimprint lithography of block copolymers

Directed self-assembly of block copolymer polystyrene-b-polyethylene oxide (PS-b-PEO) thin film was achieved by one-pot methodology of solvent vapour assisted nanoimprint lithography (SAIL).Comment: 12 pages, 4 figures, paper accepte

Surface-directed dewetting of a block copolymer for fabricating highly uniform nanostructured microdroplets and concentric nanorings

Through a combination of nanoimprint lithography and block copolymer self-assembly, a highly regular dewetting process of a symmetric diblock copolymer occurs whereby the hierarchal formation of microdroplets and concentric nanorings emerges. The process is driven by the unique chemical properties and geometrical layout of the underlying patterned silsesquioxane micrometer-sized templates. Given the presence of nonpreferential substrate−polymer interactions, directed dewetting was utilized to produce uniform arrays of microsized droplets of microphase separated polystyrene-block-poly(methyl methylacrylate) (PS-b-PMMA), following thermal annealing at 180 °C. Microdroplets with diameters greater than 400 nm exhibited a hexagonal close-packed arrangement of nanodots on the surface with polydomain ordering. At the droplet periphery, the polydomain ordering was severely disrupted because of a higher in-plane radius of curvature. By reducing the droplet size, the in-plane radius of curvature of the microdroplet becomes significant and the PMMA cylinders adopt parallel structures in this confined geometry. Continuous scaling of the droplet results in the generation of isolated, freestanding, self-aligned, and self-supported oblique nanorings (long axis ∼250−350 nm), which form as interstitial droplets between the larger microdroplets. Optical and magnetic-based nanostructures may benefit from such hierarchal organization and self-supporting/aligned nanoring templates by combining more than one lithography technique with different resolution capabilities

Lithographically Defined Cross-Linkable Top Coats for Nanomanufacturing with High-χ Block Copolymers

The directed self-assembly (DSA) of block copolymers (BCPs) is a powerful method for the manufacture of high-resolution features. Critical issues remain to be addressed for successful implementation of DSA, such as dewetting and controlled orientation of BCP domains through physicochemical manipulations at the BCP interfaces, and the spatial positioning and registration of the BCP features. Here, we introduce novel top-coat (TC) materials designed to undergo cross-linking reactions triggered by thermal or photoactivation processes. The cross-linked TC layer with adjusted composition induces a mechanical confinement of the BCP layer, suppressing its dewetting while promoting perpendicular orientation of BCP domains. The selection of areas of interest with perpendicular features is performed directly on the patternable TC layer via a lithography step and leverages attractive integration pathways for the generation of locally controlled BCP patterns and nanostructured BCP multilayers

Cristaux photoniques en silicium sur isolant pour le guidage, le filtrage, l'émission et l'éxtraction de lumière

Photonic crystals (PCs), i.e. periodic dielectric structures, allow the control of light. For example, propagation of photons can be suppressed in certain directions and for frequencies contained in what is called the photonic band gap (PBG). This thesis report on the conception, fabrication and characterization of guides, filters, planar micro-cavities and light extractors based on two-dimensional silicon photonic crystals. This structures can be etched in the planar waveguide of silicon-on-insulator (SOI) substrates and they can take advantage of well known microelectronic fabrication technology. Furthermore, the fabrication with CMOS-type technology on 8 in. wafers allows to prepare the integration of optical functions within silicon microelectronic chips. The first part of this manuscript focuses on passive structures: guides and filters. An original optical bench was build in order to perform transmission measurements on a wide wavelength range (1.1 to 1.7 µm). Monolayer waveguides, mirrors and unidimensional cavities are investigated. Resonant modes with quality factors higher than 150 are measured. This results are in very good agreement with the FDTD (Finite Difference Time Domain) simulations and with the calculated band diagrams. The second part of the thesis concerns the out-of-plane light emission from photonic crystal structures. Confinement of photons in planar micro-cavities and light extraction properties of particular points on the photonic crystal band diagram are studied. Both approaches are investigated on SOI substrates and on a new kind of substrates, called “optical substrates”, developed especially for our applications and composed of a monocrystalline silicon layer bonded a buried distributed Bragg reflector. That way, the influence of the light confinement in the third direction have been investigated. On SOI substrate, a light extraction efficiency higher than 45 % have been measured on one side and in a reduced solid angle.Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit

Cristaux photoniques en silicium sur isolant pour le guidage, le filtrage, l'émission et l'éxtraction de lumière

Photonic crystals (PCs), i.e. periodic dielectric structures, allow the control of light. For example, propagation of photons can be suppressed in certain directions and for frequencies contained in what is called the photonic band gap (PBG). This thesis report on the conception, fabrication and characterization of guides, filters, planar micro-cavities and light extractors based on two-dimensional silicon photonic crystals. This structures can be etched in the planar waveguide of silicon-on-insulator (SOI) substrates and they can take advantage of well known microelectronic fabrication technology. Furthermore, the fabrication with CMOS-type technology on 8 in. wafers allows to prepare the integration of optical functions within silicon microelectronic chips. The first part of this manuscript focuses on passive structures: guides and filters. An original optical bench was build in order to perform transmission measurements on a wide wavelength range (1.1 to 1.7 µm). Monolayer waveguides, mirrors and unidimensional cavities are investigated. Resonant modes with quality factors higher than 150 are measured. This results are in very good agreement with the FDTD (Finite Difference Time Domain) simulations and with the calculated band diagrams. The second part of the thesis concerns the out-of-plane light emission from photonic crystal structures. Confinement of photons in planar micro-cavities and light extraction properties of particular points on the photonic crystal band diagram are studied. Both approaches are investigated on SOI substrates and on a new kind of substrates, called “optical substrates”, developed especially for our applications and composed of a monocrystalline silicon layer bonded a buried distributed Bragg reflector. That way, the influence of the light confinement in the third direction have been investigated. On SOI substrate, a light extraction efficiency higher than 45 % have been measured on one side and in a reduced solid angle.Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Dans une première partie, nos efforts se sont portés sur les structures passives. Un banc d'optique original à été monté pour caractériser celles-ci en optique guidé sur un large plage de longueur d'onde (de 1,1 à 1,7 µm). Le guidage dans des guides à cristaux photoniques mono-rangée a été caractérisé spectralement et la transmittance de miroirs et de cavités unidimensionnelles à cristaux photoniques a été étudiée. Des modes résonnants avec des facteurs de qualité jusqu'à 150 ont été mesurés. Ces résultats sont en très bon accord avec les simulations menées par la technique FDTD (Finite Difference Time Domain) et avec les calculs de diagrammes de bandes obtenus par la méthode des ondes planes. Dans un second temps, nous avons regardé les propriétés de photoluminescence hors du plan de certaines structures à cristaux photoniques. Deux voies différentes sont explorées : le confinement des photons dans le plan à l'aide de cavités hexagonales et l'utilisation de propriétés particulières de dispersion de certains modes du cristal photonique pour extraire la lumière. Ces deux approches sont abordées parallèlement sur des substrats SOI et sur de nouveaux substrats, appelés « substrats optiques », développés spécialement pour nos applications et constitués d'un guide planaire en silicium monocristallin déposé sur un miroir diélectrique multicouche. Ainsi, l'influence du confinement dans la direction verticale est abordée. Pour les extracteurs de lumière sur substrat SOI, une efficacité d'extraction de plus de 45 % est mesurée sur une face et dans un angle solide réduit

Materials and processes in UV-assisted nanoimprint lithography

International audienceNanoimprint lithography (NIL), first proposed by S. Chou in 1995 [1], is a high resolution and high throughput lithography technique based on the mechanical deformation of a resist layer with a stamp (or mold) presenting a surface topography (including eventually three-dimensional (3D) features). A schematic of this technique is shown in Figure 1.1. After the pattern formation, the polymer layer may be used as a resist mask for additional processing steps (transfer etching in the substrate, ion implantation, material deposition, lift-off . . .), or this layer may be used as it is, as a functional material. A residual resist layer is always observed under the mold protrusions after imprinting. This layer can be removed with an anisotropic 'breakthrough' plasma etching step to obtain a conventional lithography resist mask [...

Cristaux photoniques en silicium sur isolant pour le guidage, le filtrage, l'émission et l'extraction de lumière

Les cristaux photoniques sont des structures diélectriques périodiques. Ils permettent de contrôler la lumière en interdisant, par exemple, la propagation des photons dans certaines directions et pour certaines fréquences contenues dans ce que l'on appelle le gap photonique. De part leur compatibilité avec la filière silicium et leur relative simplicité de fabrication, les cristaux photoniques bidimensionnels réalisés sur substrats silicium-sur-isolant (SOI) sont particulièrement attractifs pour la fabrication de circuits intégrés photoniques et ils pourraient constituer la base des futures interconnexions optiques en microélectronique. Dans ce cadre, nous nous sommes intéressé à la conception, la fabrication et la caractérisation de guides d'onde, de filtres, de cavités planaires et d'extracteurs de lumière. Une efficacité d'extraction de plus de 45 % à été mesurée sur une face et dans un angle solide réduit pour un extracteur de lumière sur substrat SOI.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Hierarchical Structure of Gold and Carbon Electrode for Bilirubin Oxidase-Biocathode

Biofuel cells (BFCs) with enzymatic electrocatalysts have attracted significant attention, especially as power sources for wearable and implantable devices; however, the applications of BFCs are limited owing to the limited O2 supply. This can be addressed by using air-diffusion-type bilirubin oxidase (BOD) cathodes, and thus the further development of the hierarchical structure of porous electrodes with highly effective specific surface areas is critical. In this study, a porous layer of gold is deposited over magnesium-oxide-templated carbon (MgOC) to form BOD-based biocathodes for the oxygen reduction reaction (ORR). Porous gold structures are constructed via electrochemical deposition of gold via dynamic hydrogen bubble templating (DHBT). Hydrogen bubbles used as a template and controlled by the Coulomb number yield a porous gold structure during the electrochemical deposition process. The current density of the ORR catalyzed by BOD without a redox mediator on the gold-modified MgOC electrode was 1.3 times higher than that of the ORR on the MgOC electrode. Furthermore, the gold-deposited electrodes were modified with aromatic thiols containing negatively charged functional groups to improve the orientation of BOD on the electrode surface to facilitate efficient electron transfer at the heterogeneous surface, thereby achieving an ORR current of 12 mA cm−2 at pH 5 and 25 °C. These results suggest that DHBT is an efficient method for the fabrication of nanostructured electrodes that promote direct electron transfer with oxidoreductase enzymes

Erbium-Doped Photonic Crystal Microcavity for Light Extraction Enhancement at 300 K

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