Estudio de nanofabricación y coloración de alas artificiales de mariposa Morpho con capas de laminillas alineadas

Scientific Reports volumen 5, número de artículo: 16637 (2015) Citar este artículo

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El color azul brillante e iridiscente de las alas de la mariposa Morpho ha atraído la atención de todo el mundo para explorar su misteriosa naturaleza durante mucho tiempo. Aunque la física del color estructural mediante las estructuras nanofotónicas construidas en las escamas de las alas está bien establecida, las replicaciones de la estructura del ala mediante litografía estándar de arriba hacia abajo siguen siendo un desafío. Este artículo informa un avance técnico para imitar el color azul de las alas de la mariposa Morpho, mediante el desarrollo de un novedoso proceso de nanofabricación, basado en litografía por haz de electrones combinada con desarrollo/disolución alternativa de PMMA/LOR, para estructuras fotónicas con láminas multicapa alineadas en polímeros incoloros. La relación entre la coloración y las dimensiones geométricas, así como las formas, se analiza sistemáticamente resolviendo las ecuaciones de Maxwell con un simulador de diferencia de tiempo de dominio finito. Se lleva a cabo una caracterización cuidadosa del azul imitado mediante mediciones espectrales tanto en ángulos normales como oblicuos. El color estructural en azul reflejado por las escamas de las alas fabricadas se demuestra y se extiende al verde como ejercicio de aplicación de la nueva técnica. Se analizan los efectos de la regularidad en las réplicas sobre la coloración. En principio, este enfoque establece un punto de partida para imitar colores estructurales más allá del azul en las alas de la mariposa Morpho.

El color estructural se observa con frecuencia en mariposas1,2,3,4,5, escarabajos6 y animales marinos7,8, etc. Entre ellos, los ejemplos más citados son las mariposas Morpho9,10,11,12, que viven en América del Sur. La coloración de las alas de la mariposa exhibe una serie de características únicas, como una amplia iridiscencia azul, brillo brillante, aspectos moteados, alta resistencia a la decoloración, alta sensibilidad al medio ambiente y espectros independientes del ángulo13,14. Desde la primera observación de la estructura interna con un potente microscopio electrónico de barrido (SEM)15, se han realizado ampliamente investigaciones sustanciales sobre el origen de la coloración por las elaboradas nanoestructuras en las alas de la mariposa Morpho16,17,18, impulsadas por aplicaciones ampliamente potenciales. Las aplicaciones previstas incluyen prendas textiles iridiscentes19, revestimientos funcionales20, códigos de seguridad de colores incomparables21, células solares eficientes22, sensores de gas altamente selectivos23,24, sensores químicos con excelente sensibilidad y selectividad25,26 y dispositivos de imágenes infrarrojas de alta velocidad27,28, etc. Para lograr el éxito en la interpretación de la coloración con precisión es establecer una metodología técnica confiable para la arquitectura de la estructura periódica en la micro y nanoescala en la escala del ala de una mariposa, lo que también es un paso inevitable hacia sus aplicaciones en la vida diaria. Como se muestra esquemáticamente en la arquitectura original en la Fig. 1a, la escala del ala está cubierta con crestas paralelas con alturas aleatorias entre sí. En la pared lateral de cada cresta se presenta en realidad una estructura laminar que consta de capas alternas de cutícula y aire. Este tipo de nanoestructuras ha sido un desafío enorme en su replicación debido a las variaciones 3D en el perfil. Aun así, se han reportado numerosos intentos. Saito et al.29,30 y Chung et al.31 imitaron el color azul con una visión angular amplia mediante la deposición multicapa de TiO2/SiO2 sobre una subestructura irregular. Watanabe et al.32 fabricaron réplicas de escamas de mariposa Morpho y observaron el reflejo del color azul mediante el uso de deposición química de vapor con haz de iones enfocado (FIB-CVD). Huang et al.33, Zhang et al.34,35,36, Kang et al.37 y Chen et al.38,39 utilizaron mariposas como bioplantillas para sintetizar nanoestructuras 3D mediante óxidos metálicos o polidimetilsiloxano (PDMS) y reportaron que la réplica puede reflejar diferentes colores con varios tamaños de red e índices de refracción. Sin embargo, todos los enfoques informados no se basaron en el proceso estándar de nanolitografía de arriba hacia abajo con un área grande, alto rendimiento y bajo costo. La única excepción es que Aryal et al.40 introducen recientemente un método para la nanofabricación de grandes áreas mediante técnicas industrializadas y la posterior nanoimpresión de escamas de alas de mariposa en 3D. Lamentablemente su coloración óptica no está caracterizada. Además, la mayoría de las nanoestructuras imitadas utilizan materiales inorgánicos, lo que da como resultado que las réplicas muestren colores diferentes a los de la mariposa Morpho real porque las propiedades ópticas de los materiales inorgánicos son diferentes a las de la cutícula en las escamas de las alas de la mariposa real.

Diagrama esquemático de las escamas del ala de la mariposa Morpho.

(a) La configuración original es similar a las escamas de alas reales con forma de árbol de Navidad y capas de laminillas desplazadas. (b) Las básculas diseñadas se fabricarán con estructuras de laminillas alineadas de capas alternas de PMMA/LOR. (c) Definiciones de los símbolos de dimensión utilizados en el texto.

Este artículo informa sobre un avance técnico, logrado recientemente en la fabricación de laminillas multicapa alineadas sobre nanopilares, como se presenta esquemáticamente en la Fig. 1b, para imitar la coloración de las escamas de las alas de la mariposa Morpho mediante un proceso novedoso basado en litografía por haz de electrones y desarrollo/disolución alternativa. sobre multicapas superredes de PMMA/LOR. Toda la escala artificial está cubierta por una rejilla de cresta periódica con ramas de PMMA/Aire. Se demuestran las propiedades básicas de coloración de las estructuras de laminillas artificiales tanto en azul como en verde y se analizan sus diferencias con las alas reales resolviendo ecuaciones de Maxwell utilizando un simulador FDTD. Los espectros resueltos en ángulo muestran desplazamientos anormales al rojo en lugar de desplazamientos al azul como en las alas reales, lo que se explica por la regularidad de las rejillas de las crestas en nuestro caso. La metodología técnica desarrollada en este trabajo nos proporciona un gran poder para ajustar el ancho de las ramas, el número de capas, el grosor de las capas para los colores deseados e incluso los materiales de las escamas en la fabricación de alas más coloridas más allá del azul en la mariposa Morpho.

La escala del ala que se está construyendo en este trabajo se muestra esquemáticamente en la Fig. 1b. Está formado por una rejilla de cresta periódica independiente con un paso fijo de 1,3 a 1,4 μm. En cada cresta como un solo árbol, hay capas de laminillas alineadas como cutícula sólida alternativa y capas de aire sostenidas por pilares de cutícula para imitar las escamas de las alas de la mariposa Morpho. Las dimensiones de la geometría en 5 configuraciones de laminillas diferentes se resumen en la Tabla 1. En la tabla, todos los parámetros se definen en la Fig. 1c. El ancho de la rama del árbol se fija en 850 nm para todas las capas, dejando un espacio de 450 nm de ancho entre dos crestas adyacentes. Los espacios razonablemente amplios están diseñados para garantizar que la reflexión multicapa ocurra dentro de una sola cresta, lo que se denomina reflexión cuasi multicapa.

En este trabajo, la resistencia de PMMA se utiliza como material de rama y el eje de la cresta (pilar) está constituido por una multicapa de PMMA/LOR, donde LOR significa elevación de resistencia suministrada por MicroChem Corp. Los índices de refracción del PMMA (nPMMA = 1,50) y LOR (nLOR = 1,58) se midieron mediante un interferómetro. Ambos materiales no muestran adsorción en luz visible y son totalmente incoloros. Los espesores () del PMMA y LOR se calcularon para una pila de cuarto de onda con una longitud de onda central de banda de parada en el rango espectral azul (480 nm) y verde (520 nm), basándose en la condición de interferencia constructiva: 14, en la que las notas a pie de página “1” y “2” indican PMMA y LOR, respectivamente, y son el ángulo de incidencia. Para un sistema multicapa ideal con una interferencia constructiva reflectante a una longitud de onda de 480 nm, los espesores del PMMA y del aire deben ser de 80 nm y 120 nm, respectivamente, lo que significa que el espesor del LOR también es de 120 nm. De la misma forma, los espesores de la capa de PMMA y de la capa de LOR para el color verde deben ser de 87 nm y 130 nm, respectivamente. Se diseñaron y fabricaron dos números totales de capas diferentes (contando tanto PMMA como LOR), 11 capas (5 períodos) y 15 capas (7 períodos) para reflejar experimentalmente el efecto del número de capas en la reflectividad.

Los caracteres de coloración de la escala del ala diseñada se estudian teóricamente primero modelando los espectros de reflectancia bajo incidencia vertical y oblicua, utilizando el método de dominio de tiempo de diferencias finitas (FDTD). Las preocupaciones específicas son: los efectos del material del sustrato, la forma del pilar, el número de capas, los ángulos de incidencia/visión y la regularidad de las rejillas de cresta sobre la propiedad óptica.

La Figura 2 presenta la reflectancia simulada de las capas de laminillas diseñadas. La Figura 2a muestra los resultados de las muestras con 11 multicapas de Si (Azul 1) y cuarzo (Azul 2), respectivamente. Ambos muestran un fuerte pico de reflexión alrededor de 480 nm (color azul), como se desea. Sin embargo, el espectro con silicio como sustrato muestra un pico adicional alrededor de 590 nm (color amarillo), que es causado por la reflexión especular en la interfaz PMMA/Si. Esta reflexión se reduce considerablemente en la interfaz PMMA/cuarzo debido a la pequeña diferencia en el índice de refracción entre PMMA y cuarzo, lo que da como resultado únicamente el color azul.

Los resultados de la simulación FDTD de los espectros de las estructuras de laminillas diseñadas.

(a) Dos muestras multicapa con un total de 11 capas de silicio (Azul_1) y cuarzo (Azul_2), respectivamente. El fuerte pico alrededor de 580 nm en el espectro de Blue_1 con sustrato de silicio muestra un claro efecto de sustrato. (b) Tres muestras multicapa (Verde_1, Verde_2 y Verde_3) con un total de 15 capas sobre cuarzo. Tenga en cuenta que la principal diferencia de las tres estructuras es la forma del pilar. Se simularon las distribuciones del campo eléctrico en los tres puntos marcados. Todas las dimensiones físicas se enumeran en la Tabla 1. Para explicaciones detalladas, consulte el texto.

También se estudia el efecto de la forma del pilar sobre la coloración, como se demuestra en la Fig. 2b. Se han comparado tres formas diferentes del pilar como se muestra en el recuadro de la Fig. 2b, correspondientes a (1) sin pilar, (2) pilar de 230 nm de ancho, (3) forma de trapecio en las primeras tres capas desde la parte superior y El resto tiene 230 nm de ancho, similar a las crestas fabricadas. El espectro sin el pilar (la línea negra) suele ser la reflectancia de un cristal fotónico 1D con alta reflectividad entre 450 nm y 600 nm. La adición de pilares de 230 nm de ancho (la línea azul) o pilares afilados (la línea roja) modifica la reflectancia, pero las dos formas de los pilares no hacen una gran diferencia en la reflectancia. Ambos están en la misma banda de color con sólo un ligero cambio en la reflectividad. Las grandes caídas alrededor de 493 nm son causadas por modos de transmisión resonantes en el cristal PMMA/LOR 1D. La distribución del campo eléctrico simulada, E2, también demuestra la existencia de modos de propagación en el pilar como se muestra en la Fig. 3a, lo que lleva a la reducción de la reflectancia. Las distribuciones de E2 correspondientes a las dos longitudes de onda a 524 nm (Fig. 3b) y 532 nm (Fig. 3c), respectivamente, muestran una transmisión relativamente débil a través de los pilares que la de 493 nm, correspondiente a los picos de reflexión en los espectros.

Las simulaciones FDTD de distribuciones espaciales del campo eléctrico, E2 para las tres longitudes de onda en la Figura 3b.

(a,b) corresponden a las longitudes de onda a 493 y 524 nm, respectivamente, en Green_3. El modo de viaje más fuerte visto en el pilar PMMA/LOR en (a) es responsable de la caída de reflexión a 493 nm en los espectros (tanto la línea roja como la azul) en la figura 3b. El E2 relativamente débil en la multicapa en (b) (524 nm) y (c) (532 nm) explica la alta reflexión en los espectros. Las líneas discontinuas resaltan las estructuras de laminillas.

Se ha desarrollado un novedoso proceso mediante litografía por haz de electrones con desarrollo/disolución alternativo sobre multicapas superredes de PMMA/LOR para la fabricación de estructuras de laminillas alineadas. El procedimiento más importante del proceso es crear las capas de aire mediante una solución alcalina diluida mediante disolución selectiva en la capa LOR de manera controlable41. La descripción detallada del estudio de procesamiento se muestra en la sección Método. La Figura 4 presenta micrografías SEM de las estructuras de laminillas alineadas fabricadas para color azul con 11 capas y color verde con 15 capas, respectivamente, sobre sustrato de Si. Todas las dimensiones resultantes están muy cerca de las figuras diseñadas que se enumeran en la Tabla 1. Los pilares de PMMA/LOR son anchos en la parte inferior y estrechos en la parte superior, similares a los de la escala real de alas de mariposa Morpho. Para distinguir el color por la reflexión cuasi multicapa a través de las capas de laminillas de la de las rejillas de cresta (como se resalta en las líneas discontinuas en la Fig. 4d), también se fabricaron estructuras de laminillas con el mismo paso y la misma altura pero con cortes cortos. .

Las micrografías del microscopio electrónico de barrido (SEM) para escamas de alas fabricadas con laminillas multicapa alineadas.

(a) Una descripción general de la escala imitada con bajo aumento. (b) Una vista de primer plano de la sección transversal de la estructura de laminillas de 11 capas. (c) La vista en sección transversal de la estructura de 15 capas. La capa superior de PMMA se dobló al dividir la muestra. (d) La rejilla de cresta resaltada por líneas discontinuas.

El color estructural de las escamas de alas artificiales fabricadas se caracterizó mediante el método espectral en la región visible con incidencia de luz tanto vertical como oblicua. La Figura 5 presenta una serie de imágenes de microscopio óptico que muestran los colores de las áreas estampadas. También se presenta en la figura la imagen de la escala del ala de una mariposa Morpho didius real para comparar (Fig. 5a). La Figura 5b muestra el color de una muestra inicialmente fabricada (Azul_1) con 5 períodos (11 capas en total) sobre sustrato de Si. Se pueden observar vagamente tanto el color aguamarina como el verde. Un espectrómetro NOVA-EX (Ideaoptics Instruments Co. Ltd., China) escaneó un espectro de reflectancia vertical (la línea verde en la Fig. 6a) en la región visible (400–700 nm) en Blue_1 bajo una fuente colimada que emite una onda plana blanca. . Se puede observar que el espectro tiene componentes tanto en la región azul (450 nm) como en la región verde (530 nm). El pico azul se debe a la reflexión casi multicapa en las ramas de PMMA/Aire. El pico verde es la contribución de la interfaz PMMA/Si mediante reflexión especular. Cuando se usó cuarzo como sustrato en la muestra Blue_3, se observa un color azul mucho más puro sin el componente rojo en la imagen de la Fig. 5c. El espectro correspondiente (línea violeta en la Fig. 6a) también muestra la desaparición del pico verde. Por lo tanto, el material del sustrato, caracterizado por el índice de refracción, es importante para garantizar que la contribución del sustrato sea limitada. Sin embargo, una inspección más cuidadosa encontró que, aunque el espectro cubre principalmente la región azul de 400 a 540 nm, el máximo es en realidad alrededor de 430 nm en lugar de los 480 nm deseados. Este cambio de azul de 50 nm podría deberse a desviaciones en los espesores de resistencia respecto al diseño. La fabricación adicional de capas de laminillas (Azul_2) mediante el uso de espesores corregidos de PMMA y LOR da lugar a un pico de reflectancia correcto a 480 nm, como se muestra en la línea cian en la Fig. 6a. Esto demuestra además que el color azul observado se debe verdaderamente al reflejo en las múltiples capas de laminillas artificiales.

Imágenes de microscopio óptico para colores estructurales de áreas estampadas como escamas de alas artificiales.

(a) La imagen a escala de un ala de mariposa Morpho didius real. (b) La imagen en color de una estructura de laminillas de 11 capas en Si, que muestra el color complementario de azul y verde. (c) La imagen del mismo patrón que en (b), pero sobre un sustrato de cuarzo con espesores de capa ligeramente más delgados que los valores diseñados, que muestra un azul más puro. (d) La imagen del área estampada con la misma estructura de capas que la anterior y espesores corregidos, mostrando el azul más cercano al real en (a). ( e, f ) Las imágenes de áreas estampadas para color verde con 11 capas y 15 capas, respectivamente. (g) La imagen que muestra el color rojo oscuro del área estampada con rejillas de cresta inclinadas de 1,5 μm sin ramas de PMMA/aire. La barra de escala en todas las imágenes es de 100 μm.

Los espectros de reflectancia medidos y simulados.

(a) La reflectividad de las escamas de ala naturales, fabricadas y simuladas con color azul. Los colores mostrados en el recuadro provienen de imágenes microscópicas. (b) La reflectividad de las escalas fabricadas con color verde. Los nombres de las muestras y sus colores correspondientes se muestran en el recuadro. La línea roja con baja reflectividad se tomó de una rejilla de cumbrera sin ramas de PMMA/Aire. Su color es rojo oscuro a 620 nm. Para explicaciones detalladas, consulte el texto.

También se incluye en la Fig. 6a el espectro tomado del ala real de la mariposa Morpho didius (línea azul), que concuerda con la reflectancia simulada y medida utilizando la estructura diseñada como se discutió anteriormente. Esto sugiere que el modelo estructural establecido en este trabajo imita muy bien los principales caracteres de color de la escala del ala de la mariposa. El espectro que aparece como la línea roja en la Fig. 6a se toma de la multicapa de PMMA / LOR con un total de 11 capas sin patrón, que muestra una reflectividad muy baja en la región azul, cuya contribución puede ignorarse.

Del mismo modo, el color verde también se imita rediseñando los espesores de las capas tanto de PMMA como de LOR. Los espectros medidos a partir de las muestras fabricadas con 5 períodos (muestra Verde_3) y períodos (muestra Verde_4) respectivamente, se presentan en la Fig. 6b. Ambos picos de reflexión están en los 520 nm deseados para el color verde, lo que también se demuestra mediante las imágenes ópticas de las áreas estampadas con estructuras de laminillas en las figuras 5e, f, respectivamente. Tanto las imágenes ópticas como los espectros demuestran que las estructuras de laminillas fabricadas con 7 períodos exhiben mayor brillo y contraste que las de 5 períodos. El espectro tomado de Green_5 como rejillas de cresta con anchos de rama de PMMA/Aire insignificantes (Fig. 4d) no muestra ninguna contribución al color verde, aparte de un pico muy débil a 630 nm, que es consistente con la imagen óptica en la Fig. 5g.

Para demostrar la coloración relevante del ángulo de las escamas de las alas fabricadas, se escanearon espectros de reflectancia desde varios ángulos de visión mediante un microespectroscopio de resolución angular (ARM-51M; Ideaoptics Instruments Co. Ltd., China). Como se muestra esquemáticamente en la Fig. 7, el ángulo incidente de la luz se fijó en 0 ° o 30 ° y los espectros reflejados se recogieron mediante una lente objetivo de 100 × (NA = 0,8) en un ángulo entre −40 ° y 40 ° para lo normal.

El diagrama esquemático de la iluminación con incidencia normal e incidencia oblicua, respectivamente.

El ángulo de detección cambia de 0° a ±40°.

La Figura 8a presenta el mapa 2-D de espectros tomados en ángulos de -40 ° a 40 ° con incidencia normal de iluminación en Green_3. Los picos de reflexión se sitúan principalmente en torno a los 523 nm (color verde). La intensidad de los reflejos disminuye a casi la mitad cuando el ángulo de visión aumenta desde lo normal a ±16°. Esto indica que la escala fabricada es capaz de mantener el color verde en el rango de ángulo de visión de 30°. Cuando el ángulo de visión aumenta aún más, los espectros generales sufren un ligero corrimiento al rojo de 48 nm de 523 a 571 nm, lo que se atribuye a la contribución de la rejilla de cresta periódica, como se explicará más adelante. La Figura 8b muestra el mapa 2-D de espectros de una rejilla de PMMA con las mismas dimensiones en paso, altura y relación de trabajo que la muestra Green_3 para comparación. Se observa una naturaleza de coloración completamente diferente. En la región visible, hay dos picos débiles alrededor de 575 y 650 nm, respectivamente y la mayoría se encuentra por encima de 750 nm. Cuando el ángulo de detección se aleja de lo normal, los picos se desplazan hacia longitudes de onda largas, lo que demuestra que la rejilla de cresta debería ser responsable de los corrimientos al rojo observados en el Green_3 fabricado.

Los espectros de reflectancia medidos con resolución de ángulo de las escalas de color verde fabricadas con un total de 15 capas (Verde_3) bajo incidencia normal (a) e incidencia oblicua (c), respectivamente.

El ángulo de detección cambia progresivamente de 0° a ±40°. A modo de comparación, se repitieron las mismas mediciones en una rejilla de PMMA (b,d). En el texto se dan descripciones detalladas.

También se repitió un comportamiento de coloración similar para la incidencia oblicua (Fig. 7) de luces en color verde, como se muestra en la Fig. 8 (c, d). Pero la reflectividad se mantiene en un rango de ángulo más pequeño (aproximadamente 15°) que en la incidencia normal de la luz. Se observa un desplazamiento hacia el azul en la reflexión de orden cero cuando se aumenta el ángulo de incidencia, siguiendo las características de reflexión multicapa14. El mapa de reflectividad de la rejilla de PMMA también se muestra en la Fig. 8d. Con iluminación oblicua, la reflectividad vuelve a mostrar un patrón de interferencia típico en varias longitudes de onda correspondientes a una serie de resonancias armónicas. Su componente en región verde es muy limitado.

Debido a las limitaciones de la técnica de fabricación, todavía existen varias diferencias en las estructuras entre las escamas de las alas fabricadas y las reales, lo que lleva a desviaciones en la coloración. En primer lugar, los pilares de las crestas están formados por diferentes materiales de índice de refracción (PMMA y LOR), lo que provoca una reducción de la reflectancia entre un 10% y un 20% con algunas caídas en los picos que surgen de los modos de transmisión resonantes en el pilar PMMA/LOR; En segundo lugar, las escamas artificiales tienen una fuerte regularidad en la estructura, incluyendo rejillas de cresta periódicas con la misma altura y parte superior plana. Como resultado, el componente rojo de la rejilla de cresta se agrega al color total en un 10%, lo que genera un ligero corrimiento al rojo con ángeles de visión oblicuos. Además, la independencia del ángulo del color azul se reduce a aproximadamente ±16°. En tercer lugar, el material de la escala artificial está basado en polímeros y es totalmente incoloro. En esta edición, no se detecta ningún efecto observable, lo que indica que el color azul en esta obra es causado enteramente por la estructura de laminillas que se sostienen por sí solas sobre la escala sin necesidad de pigmento. Finalmente, los periodos totales son 7 con 15 capas, lo que es mucho menos que los reales. Se cree que esta es la razón principal de la baja reflectividad en la escala del ala artificial. Sin embargo, la propiedad colorante observada por las escamas imitadas nos proporciona evidencias experimentales invaluables en la interpretación de la iridiscencia azul vista desde alas de mariposa reales. Más importante aún, señala la dirección en el desarrollo técnico para mejorar el proceso y el diseño creando la irregularidad necesaria en escalas reales. Por ejemplo, la superficie del sustrato se puede tratar previamente para crear mesas aleatorias con alturas del orden de 50 nm. El grabado seco a base de flúor en plasma puede limar de forma natural las esquinas superiores de cada árbol en la rejilla de cumbrera para darles la forma de un árbol de Navidad. Por lo tanto, creemos que, con nuevas mejoras en el proceso de nanolitografía innovado en este trabajo, las alas de mariposa artificiales deberían imitar fielmente a las reales, lo que conduciría a aplicaciones prometedoras en el futuro.

En la simulación de la coloración según la escala del ala construida, utilizamos el software FDTD Solutions respaldado por Lumerical Solutions Corporation. Una fuente colimada emite una onda plana espectralmente amplia (400–700 nm) con componentes de polarización TE y TM. En dirección horizontal el modelo se extiende hasta el infinito con condiciones de contorno periódicas (BC) y en dirección vertical es absorbente (capa perfectamente adaptada, PML). Tanto SiO2 como Si se utilizan como sustratos para comparar la reflectividad y sus índices de refracción se toman de Palik42.

La Figura 9 muestra esquemáticamente los principales pasos del proceso. Las capas múltiples de PMMA/LOR se recubren alternativamente por rotación sobre sustratos de silicio y cuarzo, respectivamente, con espesores diseñados como se muestra en la Fig. 9a. Las resistencias se cocieron en el horno después de cada recubrimiento por turno. La escritura directa del haz de electrones se llevó a cabo mediante un escritor de haz de electrones (JEOL 6300 FS; JEOL Ltd., Japón) a 100 kV con un haz de tamaño de punto de 7 nm y una corriente de 500 pA bajo una tensión de 100 kV. Los patrones escritos eran rejillas con un paso de 1,3 μm (para el color azul) y 1,4 μm (para el verde) con una dosis de 800 μC/cm2. El área total de cada patrón es de 1000 × 200 μm2. Después de la exposición al haz de electrones, se llevó a cabo una serie de desarrollo alternativo (para PMMA) por MIBK/IPA y disolución (para LOR) por álcali CD26, abriendo zanjas profundas como se muestra en la Fig. 9b. Finalmente se aplicó una solución concentrada de CD26 (Shipley Corp.) para disolver selectivamente las capas de LOR para crear socavaduras con la ayuda de agitación ultrasónica, como se muestra en la Fig. 9c. El ancho del corte se controló mediante el tiempo de disolución. Las inspecciones de las estructuras de las capas se realizaron mediante un microscopio electrónico de barrido Zeiss SIGMA HD. Las imágenes ópticas fueron adquiridas mediante un microscopio óptico Zeiss Axio Scope A1.

El flujo del proceso de nanofabricación de escamas artificiales con capas de laminillas independientes a escala de ala mediante litografía por haz de electrones combinada con desarrollo/disolución alternativa de multicapas de PMMA/LOR.

(a) Exposición al haz de electrones seguida de un revelado en PMMA por parte del desarrollador de MIBK:IPA y una disolución en LOR mediante una solución alcalina. (b) Se forma una rejilla de cresta después de EBL antes de la disolución final en solución alcalina. (c) Un proceso de disolución final crea ramas de PMMA/Aire como laminillas multicapa. (d) La escama de ala fabricada con capas de laminillas alineadas.

Cómo citar este artículo: Zhang, S. y Chen, Y. Estudio de nanofabricación y coloración de alas artificiales de mariposa Morpho con capas de laminillas alineadas. Ciencia. Rep. 5, 16637; doi: 10.1038/srep16637 (2015).

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Toda la investigación en la Universidad de Fudan fue apoyada financieramente por el fondo de preparación de bombas del profesor Yifang Chen bajo su plan de mil talentos. Los autores agradecen al equipo de servicio de la Escuela de Microelectrónica de la Universidad de Fudan por proporcionar las modernas instalaciones de nanofabricación para la preparación de este artículo. También agradecemos a Ideaoptics Instruments Co.Ltd en Shanghai, China, por proporcionar las instalaciones de medición óptica.

Grupo de Investigación de Aplicaciones y Nanolitografía, Facultad de Ingeniería y Ciencias de la Información, Universidad de Fudan, Shanghai, 200433, China

Sichao Zhang y Yifang Chen

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YC concibió la idea y proporcionó orientación técnica. SZ diseñó y realizó los experimentos y la simulación. YC y SZ analizaron los datos y escribieron el artículo juntos.

Los autores no declaran tener intereses financieros en competencia.

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Zhang, S., Chen, Y. Estudio de nanofabricación y coloración de alas artificiales de mariposa Morpho con capas de laminillas alineadas. Representante científico 5, 16637 (2015). https://doi.org/10.1038/srep16637

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Recibido: 27 de julio de 2015

Aceptado: 16 de octubre de 2015

Publicado: 18 de noviembre de 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep16637

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