ES2631178T3 - Procedimiento para la fabricación de una estructura generadora de ondas de plasmones superficiales - Google Patents

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Abstract

Un procedimiento para la fabricación de una microestructura para generar ondas de plasmones superficiales, caracterizado por comprender las etapas de: Etapa S1: preparar un sustrato (10); Etapa S21: repartir el material portador (22) el cual es un líquido volátil y una pluralidad de nanopartículas metálicas (21) las cuales son distribuidas uniformemente en el material portador (22) y transportadas por el material portador (22) en el sustrato (10) mediante un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverización, lacado por goteo, o inmersión; Etapa S22: permitir que las nanopartículas metálicas (21) se muevan mutuamente en el material portador para permitir la formación de una pluralidad de estructuras bidimensionales hexagonales compactas (2D HCP) mediante automontaje; Etapa S23: realizar un proceso de secado para volatilizar gradualmente en material portador (22) para hacer que las estructuras bidimensionales HCP se apilen sobre otra para formar la capa de apilado de partículas metálicas (20) sirviendo como superficie discontinua de la microestructura; Etapa S3: formar una primera capa dieléctrica (30) a un lado de la capa de apilado de partículas metálicas (20) lejos del sustrato (10), y dejar que algunas de las nanopartículas metálicas (21) entren en la primera capa dieléctrica (30) por absorción o difusión para formar una primera capa de suspensión de partículas (40).

Description

DESCRIPCION
Procedimiento para la fabricacion de una estructura generadora de ondas de plasmones superficiales 5 CAMPO DE LA INVENCION
[0001] La presente invencion se relaciona con un procedimiento para la creacion de ondas de plasmones superficiales, en particular con un procedimiento para fabricar una microestructura capaz de generar ondas de plasmones superficiales.
10
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
[0002] El fenomeno de los plasmones superficiales en metales es ampliamente utilizado hoy en dla. Los investigadores han descubierto que si disponen una nanoestructura metalica especial en la interfase de
15 materiales dielectricos, esta puede generar una interaccion entre las ondas electromagneticas y la nanoestructura metalica y resultar en una gran cantidad de caracterlsticas opticas innovadoras. Las caracterlsticas opticas pueden controlarse mediante la modificacion de la estructura, tamano, posicion relativa, arreglo periodico de la nanoestructura metalica y de los tipos de materiales dielectricos que rodean las nanoestructuras metalicas. Por lo tanto, se pueden fabricar nanoestructuras especiales mediante el control de los parametros de las 20 nanoestructuras metalicas con el fin de generar las resonancias de plasmones superficiales deseadas, las cuales pueden aplicarse en multitud de productos fotoelectronicos, medidas fotoelectronicas e investigaciones academicas. En la etapa actual, se han aplicado ondas de plasmones superficiales en muchos campos, como la medicion del espectro Raman, del grosor de las pellculas finas, de las constantes opticas, celulas solares, sensores opticos y sensores biologicos.
25
[0003] En particular, los plasmones superficiales pueden aplicarse tambien para incrementar la eficiencia luminosa del diodo emisor de luz (LED). Se ha hallado que el efecto del plasma superficial producido en la interfase de las nanoestructuras metalicas y el material dielectrico pueden magnificar la accion del campo electromagnetico y generar un efecto de campo cercano, y por consiguiente aumentar la eficiencia luminosa de los puntos o pozos
30 cuanticos cercanos y promover la eficiencia luminosa y el brillo de LED de estado solido.
[0004] Por otro lado, la luz generada por la recombinacion de electrones y agujeros en pozos cuanticos es omnidireccional. Por consiguiente, solo es aplicable la luz emitida hacia una direccion fuera del sustrato a menos que haya un mecanismo que gule a la luz y la luz emitida en direccion tiene que penetrar capas heterogeneas para
35 alcanzar el aire. Durante la penetracion, la reaccion optica producida dentro de las capas heterogeneas provocara que una porcion de la luz emitida sea restringida dentro de las capas heterogeneas y convertida en otra forma de energla. Como resultado, la luz emitida disminuye capa por capa. Si se dispone a una estructura de plasmones superficiales en la interfase entre la capa heterogenea y el aire, la energla perdida en la reaccion optica puede ser facilmente absorbida y acoplada. La estructura de plasmones superficiales puede convertir la perdida del impulso en 40 fotones y radiar los fotones. El fenomeno mencionado anteriormente recibe el nombre de Resonancia Plasmonica de Superficie Localizada (LSPR).
[0005] La solicitud de patente US-A-2012/0313129 describe un diodo organico de emision de luz (OLED) capaz de retener una gran luminiscencia y facil de producir. El OLED incluye una capa luminiscente entre un anodo
45 y un catodo. La capa luminiscente contiene un material luminiscente organico. El OLED tambien incluye: una capa transportadora de huecos formada entre el anodo y la capa luminiscente; una capa nanopartlculas metalicas entre el anodo y la capa transportadora de huecos, siendo la capa de nanopartlculas metalicas una capa en la cual las nanopartlculas metalicas se distribuyen de forma dispersa. La capa de nanopartlculas metalicas es tal que los huecos entre las nanopartlculas metalicas dispersamente distribuidas son rellenados con un material transportador 50 de huecos. Las nanopartlculas metalicas provocan resonancia con los electrones excitados en la capa luminiscente, reforzando de esta manera la luminiscencia por plasmones superficiales.
[0006] La solicitud de patente US-A-2012/0043532 describe una solucion para poder alcanzar una alta eficiencia en la transmision de la luz en un aparato electroluminiscente sin disminuir la durabilidad del mismo.
55 El aparato electroluminiscente incluye: electrodos; una pluralidad de capas que son depositadas unas sobre otras entre los electrodos; y una region de emision de luz entre la pluralidad de capas. La region emisora de luz emite una luz mediante la aplicacion de un campo electrico entre los electrodos. Al menos una micropartfcula que induce la resonancia plasmonica en la superficie por la luz emitida desde la region emisora es organizada en los alrededores de la region emisora de luz o en la propia region emisora. Se trata de una
micropartfcula con nucleo acorazado que incluye al menos una micropartfcula de nucleo metalico y una coraza de aislamiento que cubre al menos una micropartfcula de nucleo metalico.
[0007] La solicitud de patente US-A-2012/0098442 describe un diodo emisor de luz (LED) basado en un 5 mecanismo de conduccion de luminarias constituido por un conductor conmutado; una pluralidad de luminarias a
base de LED dispuestas para recibir potencia del conductor conmutado; al menos un interruptor controlado electronicamente en serie con al menos una de la pluralidad de luminarias a base de LED y organizado para pasar corriente alternativamente a traves de al menos una luminaria a base de LED cuando cerrado y prevenir el paso de corriente a traves de al menos una luminaria a base de LED cuando abierto; y al menos un conductor simultaneo en 10 comunicacion con al menos un interruptor electronicamente controlado, al menos un conductor simultaneo preparado para cerrar el interruptor electronicamente controlado solo cuando el conductor conmutado esta suministrando potencia activamente.
[0008] La solicitud de patente US-A-2011/0008602 describe un procedimiento para alterar parcialmente el 15 color o la apariencia de una superficie cubriendola con una copa de material dielectrico que contiene nanopartlculas
dispersas en el. La luz entrante interacciona con las partlculas metalicas para generar la emision mediante la resonancia plasmonica de superficie de cuya longitud de onda depende del tamano y material de las nanopartlculas empleadas.
20 [0009] Una patente taiwanesa con n.° 1395348 describe un “elemento semiconductor emisor de luz”, el cual
es un elemento LED con gran eficiencia en la emision de luz gracias a la tecnica de los plasmones superficiales. Describe una superficie metalica y una pluralidad de agujeros pasantes que se forman en la superficie metalica y tienen una forma especlfica. Estos agujeros pasantes estan dispuestos en posiciones especlficas para formar una superficie de parrilla, que puede provocar la generacion de ondas de plasma de superficie para conseguir una mejor 25 emision de luz.
[0010] Asimismo, una patente taiwanesa con n.° I363440 describe un “elemento emisor de luz, diodo emisor de luz y procedimiento para fabricar lo mismo”. En resumen, una estructura LED de esta patente incluye una unidad de acoplamiento de plasmones superficiales para generar ondas plasmonicas superficiales e incrementar la
30 eficiencia luminosa del LED.
[0011] Los anteriormente mencionados procedimientos para la fabricacion de nanoestructuras especlficas para generar ondas plasmonicas superficiales normalmente emplean tecnologlas tales como la deposicion de vapor, recubrimiento mediante sputtering, fotomascaras, desarrollo de patrones y grabado para formar una pluralidad de
35 regiones de nanoestructuras metalicas y luego realizar el proceso de templado con el fin de transformar las regiones de nanoestructuras metalicas en estructuras esfericas mediante el efecto de la tension superficial. Por lo tanto, los procedimientos convencionales mencionados anteriormente resultan complicados y caros.
[0012] Ademas, el plasmon de superficie puede ser categorizado en Polaritones de Plasmon de Superficie 40 (SPP) y Plasmon de Superficie Localizado (LSP). Los SPP se encuentran en la interfase entre un material metalico y
un material dielectrico, mientras que el LSP se encuentra en una nanoestructura metalica por un modo de resonancia. Hasta ahora, la tecnologla convencional es incapaz de aplicar las tecnicas de SSP y LSP en una estructura sistematica identica. La tecnologla convencional es incapaz de proveer un proceso barato para generar los SPP y LSP simultaneamente.
45
[0013] En la tecnologla convencional, los plasmones superficiales solo pueden existir en la interfaz entre un material metalico y un material dielectrico, lo cual limita considerablemente el diseno de las estructuras generadoras de plasmones superficiales. Por consiguiente, la tecnologla convencional aun puede mejorarse.
50 RESUMEN DE LA INVENCION
[0014] El objetivo principal de la presente invencion es mejorar la tecnologla convencional que tiene que usar el costoso y largo proceso de la Deposicion Qulmica de Vapor (CVD, por sus siglas en ingles) para realizar la deposicion de una estructura metalica constante para generar ondas de plasmones superficiales.
55
[0015] Otro objetivo de la presente invencion es superar la limitacion estructural que limita la creacion de ondas de plasmones superficiales mediante la formacion de una estructura en 3D generadora de plasmones superficiales, para mejorar la funcion de las ondas de plasmones superficiales y conseguir un efecto complejo de las ondas de plasmones superficiales.
[0016] Para conseguir los objetivos anteriormente mencionados, la presente invencion propone un procedimiento para fabricar una microestructura para generar ondas de plasmones superficiales, que comprende las etapas de la reivindicacion 1. La presente invencion permite que la microestructura se forme en una
5 “superficie discontinua”.
[0017] La presente invencion destaca en usar un procedimiento de automontaje para permitir que las nanopartlculas metalicas se muevan mutuamente en el material portador para permitir la formacion de una pluralidad de estructuras bidimensionales hexagonales compactas mediante automontaje.
10
[0018] La presente invencion esta exenta del uso del caro proceso CVD y tiene ventajas como bajos costes de fabricacion y corto tiempo de fabricacion.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS 15
[0019]
La fig. 1 es un organigrama del procedimiento de fabricacion de una microestructura para generar ondas de plasmones superficiales de acuerdo con el primer ejemplo de la presente invencion.
20 Las fig. 2A-2D son vistas seccionales que representan esquematicamente las etapas en la fabricacion de microestructuras para generar las ondas de plasmones superficiales de acuerdo con el primer ejemplo de la presente invencion.
La fig. 3A es una vista seccional que representa esquematicamente una microestructura fabricada de acuerdo con el segundo ejemplo de la presente invencion.
25 La fig. 3B es una es una vista seccional que representa esquematicamente otra microestructura fabricada de acuerdo con el segundo ejemplo de la presente invencion.
La fig. 4 es un organigrama de acuerdo con el tercer ejemplo de la presente invencion.
La fig. 5 es una imagen SEM de la microestructura fabricada de acuerdo con el tercer ejemplo de la presente invencion.
30 La fig. 6 es una vista seccional que representa esquematicamente la microestructura fabricada de acuerdo con el cuarto ejemplo de la presente invencion.
Las fig. 7A-7E son vistas seccionales que representan esquematicamente las etapas para la fabricacion de una estructura LED con la microestructura de la presente invencion.
La fig. 8 muestra las curvas I-V de un LED comun y de un LED de plasmones superficiales fabricado segun el 35 procedimiento de la presente invencion.
La fig. 9A muestra curvas de eficiencia de la luz emitida por el LED comun y el LED de plasmones superficiales a una corriente de 20mA.
La fig. 9B muestra las curvas de eficiencia de la luz emitida por el LED comun y el LED de plasmones superficiales a una corriente de 350mA.
40 La fig. 10 muestra curvas de transmision luminosa de microestructuras fabricadas a una velocidad de rotacion diferente.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA FORMA DE REALIZACION PREFERIDA
45 [0020] La presente invencion sera detallada en colaboracion con los dibujos de abajo.
[0021] En referencia a las fig. 1 y 2A-2D, la presente invencion propone un procedimiento para la
fabricacion de una microestructura para generar ondas complejas de plasmones superficiales en tres dimensiones (3D). El procedimiento de la presente invencion comprende las etapas de:
50
Etapa S1: preparar un sustrato 10, tal y como se muestra en la fig. 2a. De acuerdo con diferentes requerimientos, el sustrato 10 debe ser un elemento electrooptico (como una celula solar, un sensor optico o un LED), una unica capa o una capa multiple.
Etapa S2: formar una microestructura, tal y como se muestra en la fig. 2B. Un material portador 22 es usado para 55 transportar una pluralidad de nanopartlculas metalicas 21 para formar una microestructura en el sustrato 10 mediante automontaje.
Las nanopartlculas metalicas 21 son separadas unas de otras o parcialmente aglomeradas para permitir que la microestructura se forme con una superficie discontinua. El material portador 22 puede ser un material solido, llquido o gaseoso. Las nanopartlculas metalicas 21 pueden estar hechas de un material seleccionado de un grupo
que consiste en oro, plata, aluminio y compuestos, aleaciones y mezclas de los mismos. Las nanopartlcuias metalicas 21 estan distribuidas uniformemente en el material portador 22. En este ejemplo, la concentracion de nanopartlculas metalicas 21 en el material portador 22 es menos de 5000 ppm, y las nanopartlculas metalicas 21 se forman a un tamano de partlcula que oscila entre 1 nm y 100 nm. Despues de anadir oxidos y mezclas, el 5 tamano de partlcula de la nanopartlcula metalica 21 puede ser mayor a 100 nm. En la presente invencion la superficie discontinua se forma mediante las nanopartlculas metalicas 21 que estan separadas unas de otras o parcialmente aglomeradas. Debido a eso, la superficie discontinua de la presente invencion es diferente de la “superficie continua” formada por el procedimiento CVD y el rendimiento de la superficie discontinua es bastante diferente al de la superficie continua. Cabe destacar que solo la microestructura formada con la superficie 10 discontinua que consiste en partlculas metalicas nanometricas que son distribuidas de forma separada o parcialmente aglomeradas podrla ser considerada como la microestructura generadora de las ondas de plasmones superficiales de la presente invencion.
[0022] En el primer ejemplo de la invencion, el material portador 22 es un llquido volatil como la acetona
15 (ACE) o el isopropanol (IPA), y la etapa S2 comprende las siguientes etapas de:
Etapa S21: distribucion. El material portador 22 y las nanopartlculas metalicas 22 transportadas por el material transportador 22 son distribuidas en la superficie 10 mediante un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, lacado por goteo, o inmersion como se muestra en la fig. 2B.
20 Etapa S22: realizar el automontaje. Las nanopartlculas metalicas 21 se mueven mutuamente en el material transportador 22 para formar una pluralidad de dos estructuras bidimensionales hexagonales compactas (2D HCP) mediante automontaje, p. ej. Las nanopartlculas metalicas 21 son parcialmente aglomeradas para formar una pluralidad de estructuras de placa plana.
Etapa S23: secado. Se realiza un proceso de secado para volatilizar gradualmente le material portador 22. De 25 esta forma, las estructuras 2D HCP son apiladas unas sobre otras para formar una capa de partlculas metalicas apiladas 20, p. ej. La microestructura con la superficie discontinua. La temperatura de secado debe ser menos de 500 °C, preferiblemente entre 95 °C y 170 °C. El tiempo de secado debe ser menos de 1 hora, preferiblemente entre 30 segundos y 5 minutos.
30 [0023] En el primer ejemplo, la etapa S21 se realiza mediante un proceso de recubrimiento rotacional. El
proceso de recubrimiento rotacional puede eliminar las nanopartlculas metalicas residuales 21 sin ser eliminadas de la superficie de una oblea y hace que la capa tenga un grosor uniforme. Se conseguira una capa de grosor uniforme mediante el recubrimiento rotacional del material portador 22 y las nanopartlculas metalicas 21 a una velocidad de rotacion apropiada durante un tiempo apropiado. En este ejemplo, la velocidad de rotacion del 35 recubrimiento rotacional es menor a 8000 rpm para permitir a las nanopartlculas metalicas 21 formar la capa de apilado de partlculas metalicas 20. De hecho, la velocidad de rotacion tiene relacion con el grosor y la uniformidad de la capa, y la concentracion de las nanopartlculas metalicas 21 tiene relacion con las propiedades electricas y opticas, y el efecto de campo magnetico y grosor.
40 [0024] Despues, la capa de apilado de partlculas metalicas 20 es usada para generar ondas de plasmones
superficiales. Con el fin de eliminar la limitacion de la generacion de ondas de plasmones superficiales, el procedimiento de la presente invencion comprende ademas:
Etapa S3: formar una primera capa dielectrica 30. Como se muestra en la fig. 2D, la primera capa dielectrica 30 45 se forma a un lado de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 lejos del sustrato 10. La primera capa dielectrica 20 esta hecha de un material seleccionado de un grupo que consiste en oxido de indio y estano (ITO, por sus siglas en ingles), oxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y oxido de zinc (ZnO). Despues de esto, las nanopartlculas metalicas 21 de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 entran en la primera capa dielectrica 30 mediante absorcion o difusion para formar una primera capa de suspension de partlculas 40. La primera capa 50 dielectrica 30 esta formada por un proceso como deposicion de vapor de haz de electrones, deposicion de vapor de haz de iones, revestimiento laser, procedimiento de revestimiento epitaxial o de deposicion de vapor qulmico asistido por plasma. Asl, algunos efectos opticos como la difraccion, refraccion y reflexion total ocurriran a una gama de longitud de onda para formar la reflexion total atenuada (ATR), la cual puede mejorar el mecanismo de acoplamiento de las ondas de plasmones superficiales.
55
[0025] La capa de apilado de partlculas metalicas 20 y la primera capa de suspension de partlculas 40
pueden generar respectivamente los SPP y el LSP. Ademas, el efecto de campo cercano provocara resonancia de los SPP y el LSP para mejorar las ondas de plasmones superficiales, lo que hace que los SPP y LSE sean abreviados como SP-PS. Por lo tanto, la capa de apilado de partlculas metalicas 20 y la primera capa de
suspension de partlcuias 40 pueden servir como una estructura para generar ondas tridimensionales de los plasmones superficiales.
[0026] Ademas de la primera capa de suspension de partlculas 40 formada a un lado de la capa de apilado 5 de partlculas metalicas 20 lejos del sustrato 10, se puede formar otra capa de suspension de partlculas a un lado
de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 cerca del sustrato 10 mediante la activacion del sustrato 10. La fig. 3A muestra un segundo ejemplo de la presente invencion, en donde el sustrato 10 en la Etapa S1 incluye una segunda capa dielectrica 15 en la superficie del mismo en la etapa siguiente de la fabricacion de la capa de apilado de partlculas metalicas 20, las nanopartlculas metalicas 32 entran en la segunda capa dielectrica 15
10 mediante absorcion o difusion, para formar la segunda capa de suspension de partlculas 31. Alternativamente, como se muestra en la fig. 3B, el sustrato 10 es activado mediante el calentamiento del sustrato 10 a una temperatura entre 500-600 °C, o comprimido mediante la capa de apilado de partlculas metalicas 20 a una temperatura de 280 °C y bajo una presion de 500 kg/cm2, de tal forma que las nanopartlculas metalicas 21 pueden entrar en el sustrato 10 para formar una tercera capa de suspension de partlculas 32. Tanto la segunda
15 capa de suspension de partlculas 31 como la tercera capa de suspension de partlculas 32 se forman en el sustrato 10 para cumplir con la misma funcion.
[0027] En un ejemplo, bajo la condicion de que la capa de apilado de partlculas 20 no se haya formado, mediante el ajuste de la concentracion de nanopartlculas metalicas 21, las nanopartlculas metalicas 21 pueden
20 entrar el sustrato 10 o la primera capa dielectrica 30 mediante absorcion o difusion para formar la tercera capa de suspension de partlculas 32 o la primera capa de suspension de partlculas 40.
[0028] Consultese la fig. 4 para ver un tercer ejemplo de la presente invencion, en el que se forman las estructuras metalicas esfericas. En la Etapa S1, preparar el sustrato 10 teniendo una pluralidad de canales (no
25 mostrados en los dibujos). Tras la Etapa S2, el proceso avanza a la Etapa S4: deposicion de un material dielectrico en la capa de apilado de nanopartlculas metalicas 20. Despues, las nanopartlculas metalicas 21 envolveran al material dielectrico mediante automontaje y formaran as! una pluralidad de estructuras esfericas capaces de generar ondas de plasmones superficiales. Consultese la fig. 5 para ver la imagen esferica de la microscopla electronica de barrido (MEB o SEM, por sus siglas en ingles).
30
[0029] En la presente invencion, la capa de apilado de partlculas metalicas 20 puede generar el SPP. Ademas, la primera capa de suspension de partlculas 40 incluye el material dielectrico y las nanopartlculas metalicas 21 que entran en el material dielectrico desde la superficie de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 mediante absorcion qulmica o difusion qulmica, concretamente mediante automontaje. Por lo tanto, las ondas
35 de plasmones superficiales generadas en la primera capa de suspension de partlculas 40 pueden considerarse como el LSP. De este modo, mediante la cooperacion de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 y la primera capa de suspension de partlculas 40 pueden generarse ondas complejas de plasmones superficiales. Asl, la microestructura de la presente invencion puede generar ondas de plasmones superficiales en una resonancia acoplada del SPP y el LSP. De acuerdo con la teorla de los plasmones superficiales una luz
40 polarizada TE es incapaz de generar las ondas de plasmones superficiales dado que su campo electrico es vertical al plano de incidencia, pero una luz polarizada TM tiene un campo electrico paralelo al plano de incidencia y de esta forma es capaz de formar ondas continuas y generar ondas de plasmones superficiales. Como tal, las luces con longitud de onda fuera del intervalo de absorcion de la longitud de onda de la microestructura de la invencion pueden penetrar directamente la microestructura, y las luces no absorbibles con longitud de onda en el
45 intervalo de la absorcion de la longitud de onda, p. ej. la luz polarizada TE y la luz polarizada residual TM que no es absorbida debido a la saturacion de absorcion, tambien penetran directamente en la estructura. En cuanto a las luces absorbidas, dado que la capa de apilado de partlculas metalicas 20 y la capa de suspension de partlculas 40 de la presente invencion generan ondas de plasmones superficiales mediante la resonancia acoplada, son convertidas en la luz polarizada TE y emitida desde la microestructura.
50
[0030] Consultese la fig. 6 para ver un cuarto ejemplo de la presente invencion, en la cual una estructura de suspension de partlculas es formada directamente mediante la modificacion de los parametros de fabricacion. En la Etapa S2, el material portador 22a es un llquido no volatil que no se vaporizarla ni volatilizarla. Las nanopartlculas metalicas 21 son distribuidas uniformemente en el material portador 22a. El material portador 22a
55 y las nanopartlculas metalicas 21 transportadas por el material portador 22a son esparcidos en el sustrato 10 mediante un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, lacado por goteo, o inmersion, y luego el material portador 22a es curado mediante horneado o secado natural para formar una capa de suspension de nanopartlculas 23, p. ej. la superficie discontinua de la microestructura de la presente invencion. La capa de suspension de nanopartlculas 21 fabricada asl tambien puede generar las ondas de plasmones superficiales.
Cabe destacar que en el tercer ejemplo, los movimientos respectivos de las nanopartlculas metalicas 21 provocan que se separen unas de otras, para formar la superficie discontinua de la microestructura de la presente invencion.
5 [0031] Las ondas tridimensionales complejas de plasmones superficiales generadas por los ejemplos
anteriormente mencionados pueden ser aplicadas en diversas industrias, con el fin de incrementar la eficiencia luminosa del LED y la eficiencia de la conversion fotoelectrica de las celulas solares.
[0032] Tomando la aplicacion de LED como ejemplo, la trayectoria de emision luminosa de un LED es 10 desde el sustrato 10 hasta la primera capa dielectrica 30, pasando por la capa de apilado de nanopartlculas
metalicas 20 y la primera capa de suspension de partlculas 40. Las luces que pasan a traves de la trayectoria de la luz pueden ser purificadas consecutivamente para aumentar la proporcion de la luz polarizada TE y la eficiencia en la extraccion luminosa, y para disminuir la perdida de energla lumlnica inducida por la estructura. Si el trayecto de la emision de luz tiene un orden inverso, tambien puede conseguir el mismo efecto. Consultese figs. 7A-7E. La 15 fabricacion de un LED de plasmones superficiales de tipo horizontal se usa para ejemplificar la presente invencion de abajo. El proceso incluye las etapas de:
Etapa P1: preparar el sustrato 10a, el cual es una estructura LED incluyendo el sustrato 11, una capa de semiconductor tipo N 12, una capa de pozo cuantico multiple (MQW, sus siglas en ingles) 13 y una capa de 20 semiconductor tipo P 14, tal y como se muestra en la fig. 7A. El sustrato 10A es limpiado en esta etapa.
Etapa P2: usar el proceso de fotolitografla y una capa fotoresistente 50 para formar un patron y realizar el
grabado para formar una plataforma, tal y como se muestra en la fig. 7B. En esta etapa, un proceso de grabado ionico reactivo mediante plasma de acoplamiento inductivo (ICP-RIE) es usado para realizar el grabado. Despues, se debe eliminar la capa fotoresistente 50 y limpiar el sustrato 10a.
25 Etapa P3: formar un revestimiento incluyendo las nanopartlculas metalicas 21, tal y como se muestra en la fig. 7C. El material transportador 22 y las nanopartlculas metalicas 21 transportadas por el material transportador 22 son distribuidos en el sustrato 10a mediante un metodo procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, lacado por goteo, o inmersion. El material transportador 22 es seleccionado de un grupo constituido por ACE, IPA, disolventes volatiles y otros disolventes con bajo punto de ebullicion. Las nanopartlculas metalicas 21 estan 30 hechas de oro, plata, aluminio u oxidos de los mismos, y las nanopartlculas metalicas 21 pueden ser de un unico
material o de multiples materiales. El revestimiento es secado mediante horneado para eliminar el material
transportador 22 y formar la capa de apilado de partlculas metalicas 20.
Etapa P4: formar una capa conductora transparente 60 a un lado de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 lejos del sustrato 10a, como se muestra en la fig. 7D. La capa conductora transparente 60 es formada mediante el 35 procedimiento de deposicion de vapor de haz de electrones, deposicion de vapor de haz de iones, revestimiento laser, revestimiento epitaxial o de deposicion de vapor qulmico asistido por plasma. La capa conductora transparente 60 puede inducir algunos efectos opticos, tales como difraccion, refraccion y reflexion total, al intervalo de longitud de onda especificado para formar el ATR, lo cual puede mejorar el mecanismo de acoplamiento de las ondas de plasmones superficiales. Asimismo, las nanopartlculas metalicas 21 podrlan entrar 40 en la capa conductora transparente 60 por absorcion o difusion, y mediante el mecanismo de automontaje del mismo para formar la primera capa de suspension de partlculas 40a a un lado de la capa conductora transparente 60 adyacente a la capa de apilado de partlculas metalicas 20. Despues, la capa de apilado de partlculas metalicas 20 colabora con la primera capa de suspension de partlculas 40a para generar una onda compleja de plasmones superficiales.
45 Etapa P5: fabricar electrodos 70. Como se muestra en la fig. 7E, dos electrodos 70 son formados respectivamente en la capa conductora transparente 60 y la capa semiconductora de tipo N 12 para formar la estructura LED.
[0033] La fig. 8 muestra curvas de la relacion corriente-tension (I-V) de un LED comun 82 y un LED de plasmones superficiales 81 fabricado de acuerdo con la presente invencion y teniendo la microestructura para
50 generar ondas tridimensionales complejas de plasmones superficiales. Se observa que no hay gran diferencia entre la curva I-V del LED de plasmones superficiales 81 y la del LED comun 82. Consulte la fig. 9B para las eficiencias de luz emitida las cuales son realizadas a una corriente de 20 mA y 350 mA respectivamente. Se observa en la fig. 9Aa y la fig. 9B que la eficiencia de la luz emitida del LED de plasmones superficiales 81 de la presente invencion es mucho mejor que la de un LED ordinario 82. La presente invencion emplea, en efecto, la 55 compleja tecnologla de plasmones superficiales para aumentar la eficiencia de la luz emitida por un LED.
[0034] La fig. 10 muestra curvas de la transmision luminosa de la microestructura de la presente invencion respecto a la longitud de onda luminosa lo que tambien conlleva al Indice de absorcion de luz. Una curva de comparacion 91 es la relacion de transmitancia-longitud de onda de una estructura LED incapaz de generar
ondas de plasmones superficiales. Una curva de baja velocidad de rotacion 92 es la relacion transmitancia- longitud de onda de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 fabricada a una baja velocidad de rotacion en el proceso de recubrimiento rotacional. Una curva de alta velocidad de rotacion 93 es la relacion de transmitancia- longitud de onda de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 fabricada a una alta velocidad de rotacion en el 5 proceso de recubrimiento rotacional. La capa de apilado de partlculas metalicas 20 fabricada a una baja velocidad de rotacion (la curva de baja velocidad de rotacion 92) tiene mayor grosor que la de la capa de apilado de partlculas metalicas 20 fabricada a una alta velocidad de rotacion (la curva de alta velocidad de rotacion 93). Tanto la curva de baja velocidad de rotacion 92 como la de alta velocidad de rotacion 93 obviamente muestran las mismas areas de absorcion de luz L1 y L2, las cuales representan respectivamente los fenomenos de absorcion 10 del SPP y el LSP. Por consiguiente, la fig. 10 indica que las estructuras de la presente invencion pueden generar tanto el SPP como el LSP, p. ej. la presente invencion puede generar ondas tridimensionales complejas de plasmones superficiales. En este ejemplo, la baja velocidad de rotacion es de 2000 rpm y la alta es de 4000 rpm.
[0035] En resumen, la presente invencion tiene las siguientes caracterlsticas:
15
(i) La presente invencion no usa un caro proceso de deposicion, sino una tecnologla de automontaje para formar una microestructura generadora de ondas de plasmones superficiales.
(ii) La presente invencion usa las nanopartlculas metalicas de la capa de apilado de partlculas metalicas para formar la primera capa de suspension de partlculas. Tanto la capa de apilado de partlculas metalicas y la primera
20 capa de suspension de partlculas pueden generar ondas de plasmones superficiales. De esta forma, la presente invencion puede romper con la limitacion de la estructura convencional en la generacion de ondas de plasmones superficiales para generar ondas tridimensionales complejas de plasmones superficiales. Por lo tanto, la presente invencion puede mejorar la eficiencia en la generacion de ondas de plasmones superficiales.
(iii) La presente invencion emplea un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, lacado por goteo, 25 o inmersion para formar la capa de apilado de partlculas metalicas, por el cual la siguiente primera capa de
suspension de partlculas puede ser formada con facilidad, reduciendo as! los costes de fabricacion de manera efectiva.
(iv) La presente invencion puede variar los parametros de fabricacion para formar la capa de apilado de partlculas metalicas, la primera capa de suspension de partlculas, la segunda capa de suspension de partlculas, la tercera
30 capa de suspension de partlculas, las estructuras esfericas o la pellcula de suspension de nanopartlculas para cumplir con diferentes requerimientos.
(v) La presente invencion usa el efecto de acoplamiento de las ondas de plasmones superficiales para aumentar el ratio de produccion de la luz polarizada TE y as! aplicarse a un campo o pellcula filtro.
(vi) La presente invencion puede realizar un proceso de grabado junto con el proceso de recubrimiento rotacional, 35 pulverizacion, lacado por goteo, o inmersion y as! reducir en gran medida los costes de fabricacion y la
complejidad y tener mayor potencial comercial.
(vii) La estructura de la presente invencion puede convertir la energla luminosa, la cual es limitada en la estructura LED y no utilizada originalmente, en potencia luminosa teniendo directividad, para reducir la perdida de energla luminosa.
40 (viii) La capa de apilado de partlculas metalicas y la primera capa de suspension de partlculas pueden generar respectivamente el SPP y el LSP. Asl, la capa de apilado de partlculas metalicas colabora con la primera capa de suspension de partlculas para formar una estructura SP-SP. De este modo, la presente invencion puede realzar el efecto de las ondas de plasmones superficiales.
(ix) Las ondas de plasmones superficiales generadas por la luz incidente absorbida son transformadas en 45 fotones. Los fotones son reemitidos y mezclados con la luz incidente no absorbida para generar un efecto de
mezcla de luz.
(x) La tecnica de la presente invencion, variando los parametros de fabricacion como el tipo de disolvente, el tamano de las partlculas o la concentracion de las mismas y modificando factores medioambientales, puede ser empleada para fabricar procesadores cuanticos en estado solido, materiales en estado solido o cristales fotonicos
50 de plasmones superficiales.
(xi) La microestructura de la presente invencion puede utilizarse para realizar un proceso de decapado a una apropiada temperatura mediante el aumento de la concentracion de nanopartlculas metalicas en el material portador.
(xii) Las ondas de plasmones superficiales hechas de materiales diferentes tienen diferentes intervalos de 55 longitud de onda de absorcion y emision. Las luces emitidas por las ondas de plasmones superficiales hechas de
un metal pueden servir como luces incidentes y ser absorbidas por las ondas de plasmones superficiales hechas de otro. Ademas, las nanopartlculas metalicas pueden ser de un unico material o ser multimateriales para generar la mezcla de luces teniendo la longitud de onda requerida.
(xiii) La capa de apilado de partlculas metalicas y la primera capa dielectrica puede ser despegada y superpuesta
en otro sustrato para generar ondas de plasmones superficiales en otro sustrato.
[0036] En resumen, se describe un procedimiento para la fabricacion de una microestructura generadora
de ondas de plasmones superficiales, que comprende las etapas de S1 preparar el sustrato 10 y S2 usar un 5 material portador 22 para transportar una pluralidad de nanopartlculas metalicas 21 y permitir a las nanopartlculas metalicas 21 el automontaje para formar una microestructura en el sustrato 10, en el que las nanopartlculas metalicas 21 son separadas unas de otras o parcialmente aglomeradas para permitir que la microestructura se forme con una superficie discontinua. La presente invencion fabrica la microestructura creando la superficie mediante un procedimiento de automontaje para generar las ondas de plasmones superficiales, estando exentos 10 de este modo de usar la cara tecnologla de deposicion de vapor qulmico CVD y es capaz de reducir el tiempo y los costes de fabricacion. La presente invencion tambien rompe con la limitacion estructural en la generacion de ondas de plasmones superficiales, realzando el efecto de la generacion de ondas de plasmones superficiales.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un procedimiento para la fabricacion de una microestructura para generar ondas de plasmones superficiales, caracterizado por comprender las etapas de:
    5
    Etapa S1: preparar un sustrato (10);
    Etapa S21: repartir el material portador (22) el cual es un llquido volatil y una pluralidad de nanopartlculas metalicas (21) las cuales son distribuidas uniformemente en el material portador (22) y transportadas por el material portador (22) en el sustrato (10) mediante un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, 10 lacado por goteo, o inmersion;
    Etapa S22: permitir que las nanopartlculas metalicas (21) se muevan mutuamente en el material portador para permitir la formacion de una pluralidad de estructuras bidimensionales hexagonales compactas (2D HCP) mediante automontaje;
    Etapa S23: realizar un proceso de secado para volatilizar gradualmente en material portador (22) para hacer que 15 las estructuras bidimensionales HCP se apilen sobre otra para formar la capa de apilado de partlculas metalicas (20) sirviendo como superficie discontinua de la microestructura;
    Etapa S3: formar una primera capa dielectrica (30) a un lado de la capa de apilado de partlculas metalicas (20) lejos del sustrato (10), y dejar que algunas de las nanopartlculas metalicas (21) entren en la primera capa dielectrica (30) por absorcion o difusion para formar una primera capa de suspension de partlculas (40).
    20
  2. 2. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones superficiales de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que el material portador (22) es acetona o isopropanol.
  3. 3. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones 25 superficiales de acuerdo con la reivindicacion 1 en el que la primera capa dielectrica (30) esta hecha de un
    material seleccionado de un grupo que consiste en oxido de indio y estano (ITO), oxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y oxido de zinc (ZnO).
  4. 4. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones
    30 superficiales de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que en la Etapa S1, el sustrato (10) incluye una segunda
    capa dielectrica (15) formada en la superficie de la misma, y en la que en la etapa S2, las nanopartlculas
    metalicas (21) entran en la segunda capa dielectrica (15) por absorcion o difusion para formar una segunda capa de suspension de partlculas (31).
    35 5. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones
    superficiales de acuerdo con la reivindicacion 1, en la que en la Etapa S2, las nanopartlculas metalicas (21)
    entran en el sustrato (10) por absorcion o difusion para formar una tercera capa de suspension de partlculas (32).
  5. 6. Un procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones 40 superficiales, se caracteriza por comprender las etapas de:
    Etapa S1: preparar un sustrato (10) y el sustrato (10) incluye una pluralidad de canales;
    Etapa S21: repartir el material portador (22) el cual es un llquido volatil y una pluralidad de nanopartlculas metalicas (21) las cuales son distribuidas uniformemente en el material portador (22) y transportadas por el 45 material portador (22) en el sustrato (22) mediante un procedimiento de recubrimiento rotacional, pulverizacion, lacado por goteo, o inmersion;
    Etapa S22: permitir que las nanopartlculas metalicas (21) se muevan mutuamente en el material portador para permitir la formacion de una pluralidad de estructuras bidimensionales hexagonales compactas (2D HCP) mediante automontaje;
    50 Etapa S23: realizar un proceso de secado para volatilizar gradualmente en material portador (22) para hacer que las estructuras bidimensionales HCP se apilen sobre otra para formar una capa de apilado de partlculas metalicas (20) sirviendo como superficie discontinua de la microestructura;
    Etapa S4: depositar un material dielectrico en la capa de apilado de partlculas metalicas (20) y dejar que algunas nanopartlculas metalicas (21) se envuelvan en el material dielectrico mediante automontaje para formar una 55 pluralidad de estructuras esfericas capaces de generar ondas de plasmones superficiales.
  6. 7. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones superficiales de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que en la Etapa S1, el sustrato (10) incluye una segunda capa dielectrica (15) formada en la superficie de la misma, y en la que en la Etapa S2, las nanopartlculas
    metalicas (21) entran en la segunda capa dielectrica por absorcion o difusion para formar una segunda capa de suspension de particulas (31).
  7. 8. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones 5 superficiales de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que en la Etapa S2 las nanoparticulas metalicas (21) entran
    en el sustrato (10) por absorcion o difusion para formar una tercera capa de suspension de particulas (32).
  8. 9. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones superficiales de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que el material portador (22) es acetona o isopropanol.
    10
  9. 10. El procedimiento para la fabricacion de la microestructura generadora de ondas de plasmones superficiales de acuerdo con la reivindicacion 6, en la que la primera capa dielectrica (30) esta hecha de un material seleccionado de un grupo que consiste en oxido de indio y estano (ITO), oxido de zinc dopado con aluminio (AZO) y oxido de zinc (ZnO).
    15
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