Effect of processing parameters on inverse alumina opal photonic crystals produced by atomic layer deposition

Abstract

Uma correlação entre os parâmetros de processamento e a estabilidade térmica estrutural de opalas inversas de alumina produzidas por atomic layer deposition (ALD) foi investigada. Opalas de poliestireno (PS) foram depositadas em safira através de vertical colloidal deposition (VCD) utilizando diferentes combinações de parâmetros durante o self-assembly: concentração de poliestireno (PS), temperatura de evaporação e umidade relativa. Os templates formados pelas opalas de poliestireno (PS) foram infiltrados com alumina por meio da técnica atomic layer deposition (ALD). O template polimérico foi eliminado por tratamento térmico a 500 °C por 30 min (burning out) formando um material macroporoso de alumina. Com o objetivo de investigar a estabilidade térmica estrutural das opalas inversas de alumina, as amostras tratadas termicamente a 1400 °C por 4 h e 200 h. A caracterização das amostras resultantes foi realizada através das técnicas de Microscopia Eletrônica de Varredura (SEM), Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), difração de área selecionada (SAED), espectroscopia Visível Ultravioleta (UV-Vis) e análise de imagem (ImageJ). A combinação 1.5 mg/ml (concentração de PS), 40 °C (temperatura de evaporação) e 70% (umidade relativa) foi a que gerou melhores resultados no sentido organizacional e de área ocupada por defeitos não intencionais. Essas condições conferem a esses materiais um vasto número de potenciais aplicações como em células solares, lasers e diversos equipamentos opticoeletrônicos.

Abstract: A correlation between the processing parameters and the structural thermal stability of inverse alumina opal photonic crystals produced by atomic layer deposition (ALD) was investigated. Polystyrene (PS) direct opals were deposited on sapphire through vertical colloidal deposition (VCD) using different combinations of parameters during self-assembly: polystyrene (PS) concentration, evaporation temperature and relative humidity. The templates formed by polystyrene direct opals (PS) were infiltrated with alumina by atomic layer deposition (ALD). The polymeric template was removed by heat treatment at 500 °C for 30 min (burn out) forming a macroporous alumina material. In order to investigate the structural thermal stability of the inverse alumina opals, the samples were thermally treated at 1400 °C for 4 h and 200 h. The characterization of the resulting samples was performed using Scanning Electron Microscopy (SEM), Transmission Electron Microscopy (TEM), Selected Area Electron Diffraction (SAED) Visible Ultraviolet Spectroscopy (UV-Vis) and image analysis (ImageJ). The combination: 1.5 mg/ml (PS concentration), 40 °C (evaporation temperature) and 70% (relative humidity) was the one that generated better results in the organizational sense and in the area occupied by unintentional defects. These conditions confered to these materials a vast number of potential applications as in solar cells, lasers and various optical and electronic equipment.