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Engineering

Terahertz Metamaterials में विस्थापन वर्तमान मध्यस्थता अनुनादों के लिए nanopillar आधारित अंगूठी resonators विभाजित का निर्माण

Published: March 23, 2017 doi: 10.3791/55289
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Minnesota

Summary

डिजाइन और एक उपन्यास nanopillar आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है।

Abstract

Terahertz (THz) विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) metamaterials (एमएमएस) गैस, रसायन, और biomolecular संवेदन अनुप्रयोगों के लिए अध्ययन किया गया है क्योंकि SRR जैसे तापमान और दबाव गुंजयमान यंत्र आसपास के रूप में पर्यावरण विशेषताओं से प्रभावित नहीं है। THz आवृत्तियों में विद्युत चुम्बकीय विकिरण जो विशेष रूप से biomolecular संवेदन के आवेदन के लिए एक की हालत गंभीर है biocompatible है। हालांकि, गुणवत्ता कारक (क्यू कारक) और पारंपरिक पतली फिल्म आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र की आवृत्ति प्रतिक्रियाओं (SRR) एमएमएस बहुत कम हैं, जो सेंसर के रूप में उनकी संवेदनशीलता और चयनात्मकता की सीमा। इस काम में, उपन्यास nanopillar आधारित SRR एमएमएस, विस्थापन वर्तमान उपयोग, 450 अप करने के लिए क्यू कारक है, जो लगभग 45 बार पारंपरिक पतली फिल्म आधारित एमएमएस की तुलना में अधिक है बढ़ाने के लिए तैयार कर रहे हैं। बढ़ाया क्यू कारक के अलावा, nanopillar आधारित एमएमएस एक बड़ा आवृत्ति पारियों (पाली परंपरा से प्राप्त की तुलना में 17 गुना प्रेरितअल पतली फिल्म आधारित एमएमएस)। क्योंकि काफी बढ़ाया क्यू कारकों और आवृत्ति बदलाव के रूप में अच्छी तरह से biocompatible विकिरण की संपत्ति का, THz nanopillar आधारित SRR biomaterials के लिए नुकसान या विरूपण उत्प्रेरण के बिना उच्च संवेदनशीलता और चयनात्मकता के साथ biomolecular सेंसर के विकास के लिए आदर्श एमएमएस रहे हैं। एक उपन्यास निर्माण की प्रक्रिया विस्थापन वर्तमान मध्यस्थता THz एमएमएस के लिए nanopillar आधारित SRRs का निर्माण करने के लिए प्रदर्शन किया गया है। एक दो कदम सोने (एयू) विद्युत प्रक्रिया और एक परमाणु परत बयान (ALD) प्रक्रिया Au nanopillars के बीच उप-10 एनएम पैमाने अंतराल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। चूंकि ALD प्रक्रिया एक conformal कोटिंग की प्रक्रिया एक समान एल्यूमीनियम ऑक्साइड (अल 2 ओ 3) nanometer पैमाने मोटाई के साथ परत प्राप्त किया जा सकता है। क्रमिक रूप से एक और Au पतली फिल्म विद्युत अल 2 3 हे और Au, एक करीबी पैक Au-अल 2 3 हे -Au नैनो पैमाने के साथ संरचना के बीच रिक्त स्थान को भरने के लिए करके अल 2 3 हे अंतराल हो सकता हैगढ़ा हुआ। नैनो अंतराल के आकार में अच्छी तरह से ठीक ALD प्रक्रिया है, जो 0.1 एनएम के एक सटीकता है के बयान के चक्र को नियंत्रित करने से परिभाषित किया जा सकता है।

Introduction

Terahertz (THz) metamaterials (एमएमएस) जैव चिकित्सा सेंसरों और आवृत्ति चुस्त उपकरणों 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 के लिए विकसित किया गया है। THz एम.एम. सेंसर की संवेदनशीलता और आवृत्ति चयनात्मकता सुधार करने के लिए, एक nanopillar आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) विस्थापन वर्तमान सोने (एयू) के अंदर उत्पन्न का उपयोग कर nanopillar सरणियों अति उच्च गुणवत्ता वाले कारकों के साथ THz अनुनादों उत्तेजित करने के लिए (डिजाइन किया गया है क्यू कारकों) (~ 450) (चित्रा 1) 12। हालांकि nanopillar आधारित SRRs उच्च क्यू कारकों और होनहार संवेदन क्षमताओं, ऐसे nanostructur के निर्माण दिखानेउच्च पहलू अनुपात (40 से अधिक) और नैनो पैमाने अंतराल (उप-10 एनएम) एक बड़े क्षेत्र में साथ es चुनौतीपूर्ण 13 बनी हुई है।

सबसे अधिक इस्तेमाल तकनीक नैनो पैमाने पर संरचनाओं के निर्माण के लिए इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी (EBL) 14, 15, 16, 17 है। हालांकि, EBL का संकल्प अभी भी बीम स्थान आकार, इलेक्ट्रॉन बिखरने, विरोध के गुण, और विकास की प्रक्रिया 18, 19 के कारण सीमित है। इसके अलावा, यह एक धीमी प्रक्रिया समय की वजह से एक बड़े क्षेत्र में EBL का उपयोग कर nanostructures निर्माण करने के लिए व्यावहारिक नहीं है और बड़े प्रक्रिया की लागत 20। एक और रणनीति nanostructures प्राप्त करने के लिए एक आत्म विधानसभा तकनीक 21, 22 का उपयोग करने के लिए है। एक समाधान है और util में स्वयं कोडांतरण धातु nanocubes (NCS) द्वाराइलेक्ट्रोस्टैटिक संपर्क और एनसीएस के बीच बहुलक ligands के संघ izing, एक अच्छी तरह से संगठित नैनो पैमाने अंतराल के साथ एक आयामी नेकां सरणी 23 प्राप्त किया जा सकता है। नैनो अंतराल के आकार एनसीएस के बीच बहुलक ligands पर निर्भर करता है और विभिन्न आणविक वजन 24, 25, 26 के साथ अलग अलग बहुलक सामग्री लगाने से नियंत्रित किया जा सकता है। आत्म विधानसभा स्केलेबल और लागत प्रभावी nanostructures 23 को प्राप्त करने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक है। हालांकि, निर्माण की प्रक्रिया पारंपरिक माइक्रो और नैनो निर्माण प्रक्रिया की तुलना में अधिक जटिल है, और नैनो की खाई आकार के नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए काफी सटीक नहीं है। आदेश में सफलतापूर्वक nanopillar आधारित SRRs बनाना करने के लिए, एक उपन्यास निर्माण विधि निम्नलिखित लक्ष्यों को प्राप्त करने का आविष्कार किया जाना चाहिए: i) निर्माण की प्रक्रिया लागू करने के लिए आसान है और सम्मेलन के साथ संगत हैअल माइक्रो और नैनो निर्माण प्रक्रिया; ii) एक बड़े क्षेत्र में निर्माण पर लागू होता है; iii) नैनो की खाई आकार आसानी से और ठीक एक 0.1 एनएम संकल्प के साथ नियंत्रित किया जा सकता है और 10 एनएम या कम करने के लिए नीचे पहुंचा जा सकता है।

एक उपन्यास निर्माण विधि nanopillar आधारित SRRs निर्माण करने के लिए एक विद्युत प्रक्रिया के संयोजन और एक परमाणु परत बयान (ALD) प्रक्रिया का उपयोग कर प्रदर्शन किया है। चूंकि विद्युत एक आत्म भरने कम लागत के साथ प्रक्रिया है, यह एक बड़े क्षेत्र में संरचनाओं के निर्माण के लिए आसान है। ALD एक रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) प्रक्रिया है कि ठीक प्रक्रिया के दौरान प्रतिक्रिया चक्र से नियंत्रित किया जा सकता है। ALD पतली फिल्म का संकल्प 0.1 एनएम हो सकता है, और पतली फिल्म में समान रूप से एक उच्च गुणवत्ता है, जो नैनो पैमाने अंतराल 27, 28 बनाने के लिए उपयुक्त है के साथ लेपित है। 10 एनएम अंतराल या उससे कम के साथ nanopillar आधारित SRR सरणी सफलतापूर्वक 6 मिमी × 6 मिमी के एक क्षेत्र में गढ़े जा सकता है। दोनों एसimulated और मापा THz संचरण स्पेक्ट्रा अति उच्च क्यू कारकों और बड़ी आवृत्ति पाली, जो nanopillar आधारित SRRs विस्थापन वर्तमान द्वारा मध्यस्थता की व्यवहार्यता साबित होता है के साथ सुनाई देती व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। विस्तृत निर्माण की प्रक्रिया प्रोटोकॉल अनुभाग में नीचे वर्णित है, और वीडियो प्रोटोकॉल मदद कर सकते हैं चिकित्सकों के निर्माण की प्रक्रिया को समझने और nanopillar आधारित SRRs के निर्माण के साथ जुड़े आम गलतियों से बचने के लिए।

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Protocol

सावधानी: इन syntheses में प्रयुक्त रसायनों के कई विषैले, अत्यधिक ज्वलनशील हैं, और जब छुआ या साँस जलन और गंभीर अंग क्षति का कारण बन सकता है। कृपया उचित व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (पीपीई) पहनने के लिए जब से निपटने।

1. गोल्ड (एयू) nanopillar सारणियों पहली परत (चित्रा 2A सी और चित्रा 2 ई जी) की तैयारी

  1. Au विद्युत के लिए तांबा (कॉपर) बीज परतों की तैयारी (चित्रा 2A, बी और चित्रा 2 ई, एफ)
    1. एक 4 "उच्च प्रतिरोधकता सिलिकॉन (Si) वेफर का प्रयोग करें। (प्रतिरोधकता: 560 - 840 Ω · सेमी) सब्सट्रेट के रूप में सी वफ़र एन-प्रकार डाल दिया गया और एक तरफ (चित्रा 2A, ई) पर पॉलिश है।
    2. × बाद में उपयोग के लिए 2.5 सेमी टुकड़े 2 सेमी में सी वफ़र कट।
    3. सी और घन के बीच एक आसंजन परत के रूप में एक इलेक्ट्रॉन बीम (ई-बीम) वाष्पीकरण की प्रक्रिया का उपयोग सी नमूना पर एक 5 एनएम क्रोमियम (सीआर) परत जमा।
    4. मौजूदा सीआर परत एक का उपयोग कर के शीर्ष पर एक 10 एनएम घन परत जमाAu विद्युत के लिए बीज परत के रूप में ई-बीम वाष्पीकरण की प्रक्रिया (चित्रा 2 बी, एफ)।
  2. Au nanopillar सरणी विद्युत (चित्रा 2 सी, जी)
    1. Nanopillar सरणी patterning
      1. 60 एस के लिए 2,000 rpm पर धारा 1.1 में तैयार नमूना पर कोट photoresist स्पिन।
      2. 60 एस के लिए 115 डिग्री सेल्सियस पर एक गर्म थाली पर नमूना सेंकना।
      3. पराबैंगनी (यूवी) के तहत photoresist लाइट एक करोड़ photomask कि 22 एस के लिए nanopillar पैटर्न के हजारों शामिल हैं के साथ (की शक्ति ~ 15 मेगावाट / 2 सेमी) बेनकाब।
      4. आंदोलन के साथ 90 एस के लिए एक डेवलपर के साथ विकास करना।
      5. विआयनीकृत (डीआई) पानी के साथ नमूना कुल्ला और एक एयर गन के साथ नमूना झटका सूखी।
    2. Au nanopillar सरणी विद्युत
      1. एसीटोन के साथ नमूना पर photoresist के शीर्ष अनुभाग हटाये इलेक्ट्रोड कनेक्शन के लिए घन बीज परत बेनकाब करने के लिए।
      2. सैम कनेक्टमिसाल (घन बीज परत) एक दबाना और एक तार का उपयोग कर एक स्रोत मीटर के नकारात्मक टर्मिनल के लिए। इस मामले में, नमूना विद्युत प्रक्रिया के दौरान एनोड है।
      3. (पं) लेपित सी (एक ही नमूने के रूप में आकार) स्रोत मीटर की सकारात्मक टर्मिनल के लिए प्लेटिनम का एक टुकड़ा कनेक्ट करें। पं विद्युत प्रक्रिया के दौरान कैथोड है।
      4. दोनों पं कैथोड और Au विद्युत समाधान में कॉपर एनोड डूब। ~ 1 सेमी की दूरी के साथ एक दूसरे का सामना कर रहे दो इलेक्ट्रोड रखें।
      5. स्रोत मीटर चालू करें और 8 मिनट के लिए नमूना पर 1.12 वी बिजली से Au के एक निरंतर वोल्टेज की आपूर्ति (जमा दर: ~ 100 एनएम / मिनट)।
      6. डि पानी के साथ नमूना, एसीटोन द्वारा पीछा किया photoresist दूर करने के लिए कुल्ला।
      7. फिर डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
      8. एक खुर्दबीन के नीचे electroplated Au nanopillar सरणी का निरीक्षण किया।
      9. एक profilometer (की मोटाई के साथ Au nanopillars की मोटाई मापनेAu nanopillars ~ 800 एनएम) है।
        नोट: लगातार चालू सेट-अप भी Au nanopillars बिजली के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। दोनों लगातार वोल्टेज और लगातार वर्तमान सेट-अप में, Au विद्युत के लिए प्रयोग किया जाता है आदर्श वर्तमान और वोल्टेज परीक्षण और त्रुटि के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।

2. Au nanopillars के बीच नैनो अंतराल के सृजन (चित्रा 2 डी, एच)

  1. सीआर और घन परतों को हटाने
    1. घन एचेंट में नमूना डूब तक घन रंग गायब हो जाता है।
    2. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    3. एक खुर्दबीन के नीचे Au nanopillars का निरीक्षण किया।
    4. 10 एस के लिए सीआर मुखौटा एचेंट में नमूना डूब।
    5. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    6. एक खुर्दबीन के नीचे Au nanopillars का निरीक्षण किया।
  2. नैनो पैमाने पर एल्यूमिनियम ऑक्साइड का निर्माण (अल 2 हे 3) अंतराल
    1. ALD प्रणाली चाम गर्मी200 डिग्री सेल्सियस के लिए बेर।
    2. चैम्बर के केंद्र में नमूना रखें।
    3. एक निर्वात चैम्बर नीचे पंप और 100 चक्र संख्या निर्धारित (जमा दर: ~ 1 ए / चक्र)।
    4. क्रमिक रूप से और वैकल्पिक रूप से चैम्बर में 0.015 एस की समय अवधि के साथ 0.015 और पानी (एच 2 ओ) वाष्प की एक समय अवधि के साथ पल्स trimethylaluminum (टीएमए) गैस समान रूप से नमूने पर अल 2 ओ 3 परतें जमा करने के लिए। प्रत्येक नाड़ी के बीच समय के अंतर को 5 एस है। टीएमए नाड़ी के दौरान कक्ष दबाव 10 Torr और एच 2 ओ वाष्प नाड़ी के दौरान दबाव है 2 Torr है।
    5. शुद्ध और बयान के प्रत्येक चक्र के बीच कक्ष वैक्यूम। जमा अल 2 3 हे 100 चक्र के लिए और कक्ष से बाहर ले नमूना।
    6. एक ellipsometer का उपयोग कर ALD अल 2 ओ 3 की मोटाई मापने।

3. एक Au पतली फिल्म की दूसरी परत की तैयारी (चित्रा 2i-एल और चित्रा 2 एम-पी)

  1. Au विद्युत के लिए घन बीज परतों की तैयारी (चित्रा 2i, मी)
    1. एक ई-बीम बाष्पीकरण नमूना धारक के केंद्र में नमूना रखें।
    2. ई-बीम बाष्पीकरण में नमूने के रोटेशन को बंद कर दें।
    3. अल 2 3 हे और घन के बीच एक आसंजन परत के रूप में कार्य करने के लिए नमूना पर एक 5 एनएम सीआर परत जमा। नमूना रोटेशन के बिना एक ई-बीम वाष्पीकरण की प्रक्रिया का प्रयोग करें।
    4. जमा 10 एनएम मौजूदा सीआर परत Au विद्युत के लिए बीज परत के रूप में नमूना रोटेशन के बिना एक ई-बीम वाष्पीकरण की प्रक्रिया का उपयोग कर के शीर्ष पर घन।
  2. Au पतली फिल्म विद्युत (चित्रा 2J, n)
    1. एक दबाना और एक तार का उपयोग स्रोत मीटर के नकारात्मक टर्मिनल के लिए नमूना (घन बीज परत) कनेक्ट करें। इस मामले में, नमूना विद्युत प्रक्रिया के दौरान एनोड है।
    2. स्रोत मीटर की सकारात्मक टर्मिनल के लिए पं कैथोड कनेक्ट करें।
    3. डूब दोनों पं कैथोड और घन anodAu विद्युत समाधान में ई। ~ 1 सेमी की दूरी के साथ एक दूसरे का सामना कर रहे दो इलेक्ट्रोड रखें।
    4. स्रोत मीटर चालू करें और 1.35 वी के लगातार वोल्टेज की स्थापना की और 16 मिनट के लिए नमूना पर Au बिजली से।
    5. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    6. electroplated Au और एक खुर्दबीन के नीचे पहले से electroplated Au nanopillar सरणी का निरीक्षण किया।
    7. एक profilometer साथ Au nanopillars की मोटाई मापने (एयू nanopillars की मोटाई ~ 400 एनएम है)।
      नोट: धारा 1.2.2 में Au विद्युत के लिए इसी प्रकार, लगातार चालू सेट-अप भी Au पतली फिल्म बिजली से किया जा सकता है। दोनों लगातार वोल्टेज और लगातार वर्तमान सेट-अप में, Au विद्युत के लिए प्रयोग किया जाता है आदर्श वर्तमान और वोल्टेज परीक्षण और त्रुटि के द्वारा प्राप्त किया जा सकता है।
  3. सीआर और घन परतों (चित्रा 2k, ओ) को हटाने
    1. 10 एस के लिए घन एचेंट में नमूना डूब।
    2. डि पानी एक साथ नमूना कुल्लाडी झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    3. एक खुर्दबीन के नीचे Au nanopillars का निरीक्षण किया।
    4. 10 एस के लिए सीआर मुखौटा एचेंट में नमूना डूब।
    5. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    6. एक खुर्दबीन के नीचे Au nanopillars का निरीक्षण किया।
      नोट: वैकल्पिक रूप से, सीआर और घन (3.3 कदम) को हटाने के बाद दूसरे electroplated Au परत के शीर्ष पर Au के एक अतिरिक्त परत जमा करने के लिए फिर से Au विद्युत समाधान में नमूना डूब। इस अतिरिक्त Au परत दूसरी Au परत की कुल मोटाई बढ़ जाती है और Au परत और अल 2 ओ 3 परत (चित्रा 2i, पी) के बीच अच्छा संपर्क सुनिश्चित करता है।

4. सी आकृति SRR की परिभाषा (चित्रा 2Q-एस और चित्रा 2 यू-W)

  1. सी आकृति SRR patterning (चित्रा 2Q, यू)
    1. कोट 60 एस के लिए 2,000 rpm पर नमूना पर एक photoresist स्पिन।
    2. 60 एस के लिए 115 डिग्री सेल्सियस के गर्म थाली पर नमूना सेंकना।
      3. 2 सेमी की शक्ति) को बेनकाब।
    3. आंदोलन के साथ 90 एस के लिए एक डेवलपर के साथ विकास करना।
    4. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और एक एयर गन के साथ नमूना झटका सूखी।
  2. सी आकृति परिभाषा आयन चक्की (चित्रा 2R, वी और चित्रा 2s, डब्ल्यू) का उपयोग
    1. एक आयन मिल नमूना दो तरफा घन प्रवाहकीय टेप का उपयोग धारक पर नमूना संलग्न।
    2. 6 डिग्री सेल्सियस के लिए आयन मिल चैम्बर शांत हो जाओ।
    3. आयन चक्की 300 वी की एक किरण वोल्टेज और ~ के लिए 30 मिनट के 125 मा की एक किरण वर्तमान के साथ नमूना।
    4. नमूना बाहर ले जाओ और सी-आकार के बाहर Au nanopillars का निरीक्षण किया।
    5. दोहराएँ कदम 4.2.3 और 4.2.4 यदि Au अभी भी सी-आकार के बाहर दिखाई दे रहा है।
    6. एसीटोन में नमूना Sonicate photoresist हटा दें।
    7. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।
    8. एक खुर्दबीन के नीचे नमूना निरीक्षण किया।
    9. दोहराएँ कदम 4.2.6 और 4.2।7 यदि photoresist पूरी तरह से हटा नहीं है।
      नोट: वैकल्पिक रूप से, लागू ऑक्सीजन photoresist हटाने से पहले photoresist के लिए कदम नरमी का विरोध। हालांकि, एक sonication स्नान यदि लागू photoresist को दूर करने के लिए सबसे प्रभावी तरीका है।

एयर नैनो अंतराल के लिए अल 2 3 हे 5. निकालना (चित्रा 2t, एक्स)

  1. 5 मिनट के लिए 5% हाइड्रोजन फ्लोराइड (एचएफ) समाधान में नमूना डूब अल 2 3 हे हटा दें।
  2. डि पानी के साथ नमूना कुल्ला और झटका सूखी एक एयर गन के साथ।

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Representative Results

निर्माण योजनाओं के प्रत्येक चरण (चित्रा 2 एक्स) दिखा। ऑप्टिकल छवियों (चित्रा 2 वर्ष-एसी) और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (SEM) छवियों (चित्रा 2AD-एजी) विभिन्न निर्माण कदम पर nanopillar आधारित SRRs के लिए एकत्र किए गए थे। एनिमेशन (चित्रा 2A सी) electroplated Au nanopillars की पहली परत और electroplated Au फिल्मों की दूसरी परत के रूप में भी नैनो अंतराल उन दोनों के बीच बनाया वर्णन। चित्रा 2 डी दोनों अल 2 ओ 3 नैनो अंतराल और हवा नैनो अंतराल के साथ nanopillar आधारित SRRs के पार अनुभाग योजना से पता चलता है। SEM छवियों Au nanopillars के बीच nanopillar आधारित SRR सरणी और नैनो पैमाने अंतराल (चित्रा 2af, 2ag, 3E-ज) के लिए एकत्र किए गए थे। अल 2 ओ 3 नैनो अंतराल और हवा नैनो अंतराल के साथ नमूनों की दोनों नकली और मापा संचरण स्पेक्ट्रा दिखाया गया है (चित्रा 3 आई-एल)।

jove_content "fo: रख-together.within-पेज =" 1 "> आकृति 1
चित्रा 1: nanopillar आधारित SRRs विस्थापन वर्तमान द्वारा मध्यस्थता का चित्रण। (क, ख) विस्थापन वर्तमान (मैं घ) दो धातु प्लेट और बिजली क्षेत्र E से दो nanopillars के बीच प्रेरित किया। Nanopillar आधारित Au nanopillars के हजारों द्वारा परिभाषित SRRs (ग) योजनाबद्ध (एच: nanopillar, एक की ऊंचाई: का सामना करना पड़ क्षेत्र, डी: नैनो अंतराल के आकार, एल: nanopillar की चौड़ाई और ε: नैनो अंतराल में permittivity) । (घ) पतली फिल्म आधारित SRR और nanopillar आधारित SRR के क्यू कारक। चारों ओर 450 का एक क्यू कारक 10 एनएम के एक नैनो अंतराल के आकार के साथ एक nanopillar आधारित SRR के साथ प्राप्त किया जा सकता है। चित्रा उन्नत ऑप्टिकल सामग्री 12 से अनुमति के साथ अनुकूलित है।ig1large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2: nanopillar आधारित SRRs का निर्माण योजनाओं। Nanopillar आधारित SRRs के निर्माण की प्रक्रिया की - (एक टी) 3 डी एनीमेशन और पार अनुभाग schematics। (Y - एसी) विभिन्न निर्माण कदम पर nanopillar आधारित SRRs के ऑप्टिकल छवियों। (विज्ञापन - AG) विभिन्न निर्माण कदम पर nanopillar आधारित SRRs के साथ ही एक 5 एनएम अल 2 3 हे अंतराल (एजी) के SEM छवियों। चित्रा उन्नत ऑप्टिकल सामग्री 12 से अनुमति के साथ अनुकूलित है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।


चित्रा 3: nanopillar आधारित SRRs के अभिलक्षण। (एक - डी) nanopillar आधारित SRRs का निर्माण योजनाओं। (ई - एच) nanopillar आधारित SRRs के SEM छवियों। (I) अल 2 ओ 3 नैनो की खाई nanopillar आधारित SRRs के नकली संचरण स्पेक्ट्रा। (जे) अल 2 ओ 3 नैनो की खाई nanopillar आधारित SRRs की मापी संचरण स्पेक्ट्रा। (कश्मीर) हवा नैनो की खाई nanopillar आधारित SRRs के नकली संचरण स्पेक्ट्रा। (ठ) हवा नैनो की खाई nanopillar आधारित SRRs के संचरण स्पेक्ट्रा मापा। चित्रा उन्नत ऑप्टिकल सामग्री 12 से अनुमति के साथ अनुकूलित है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें। </ A>

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Discussion

इस निर्माण तकनीक में इस तरह के ई-बीम लिथोग्राफी और आत्म विधानसभा के रूप में मौजूदा तरीकों पर नैनो पैमाने पर संरचनाओं बनाने के लिए महत्वपूर्ण लाभ है। सबसे पहले, नैनो पैमाने पर संरचनाओं एक बड़े क्षेत्र (एक पूरे वेफर) एक photomask कि nanopillar सरणियों, जो एक ई-बीम लिथोग्राफी प्रक्रिया के साथ व्यावहारिक नहीं है सुविधाओं का उपयोग करने पर महसूस किया जा सकता है। दूसरा, निर्माण की प्रक्रिया एक पारंपरिक वेफर पैमाने पर सूक्ष्म निर्माण की प्रक्रिया है, जो बहुत तेजी से होता है, सरल, सस्ता और ई-बीम लिथोग्राफी की तुलना में उपयोग करता है। तीसरा, परमाणु पैमाने नैनो अंतराल आसानी से ठीक नियंत्रित सुविधा आकार के साथ एक ALD प्रक्रिया द्वारा बनाया जा सकता है।

नमूना रोटेशन के बिना सीआर और घन ई-किरण evaporations कम से कम sidewall बयान के साथ सब्सट्रेट पर सीधे सीआर और घन बयान अनुमति देते हैं। यह निम्नलिखित Au विद्युत प्रक्रिया के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि Au केवल घन बीज परत है कि स्रोत मीटर से जुड़ा है पर electroplated जा सकता है। घन परत के बाद सेAu nanopillars के शीर्ष पर है सब्सट्रेट पर घन परत के साथ काट रहे हैं, Au सब्सट्रेट पर electroplated नहीं किया जा सकता। गुणवत्ता और electroplated Au की मोटाई विद्युत वोल्टेज / वर्तमान और विद्युत के समय पर निर्भर करते हैं। उच्च वोल्टेज / वर्तमान एक उच्च जमा दर की ओर जाता है। हालांकि, उच्च वोल्टेज / वर्तमान भी कम गुणवत्ता Au बयान में परिणाम कर सकते हैं। कम गुणवत्ता के साथ electroplated Au एक कम विद्युत चालकता मानक Au सामग्री के रूप में अच्छी तरह से Au, जो विस्थापन वर्तमान SRR घूम की तीव्रता को कम कर देता में रिक्तियों की बहुत सारी करने के लिए की तुलना में है, एक कमजोर गुंजयमान व्यवहार और गुंजयमान चोटियों में से एक कम परिमाण के लिए अग्रणी । इसलिए, एक उपयुक्त वोल्टेज / वर्तमान उच्च गुणवत्ता Au nanopillars प्राप्त करने के लिए आवश्यक है। विद्युत समय और वोल्टेज / वर्तमान भी ठीक सुनिश्चित करें कि Au पतली फिल्म (एयू की दूसरी परत) की मोटाई Au nanopillars (एयू की पहली परत) की तुलना में कम है बनाने के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए।

2 ओ 3 परत को प्राप्त कर सकते हैं। जमा दर और गुणवत्ता अल 2 3 हे ALD द्वारा जमा की कक्ष के अंदर प्रतिक्रिया तापमान पर निर्भर करता है। ऊपर 200 डिग्री सेल्सियस के एक प्रतिक्रिया तापमान उच्च गुणवत्ता अल 2 ओ 3 फिल्मों को प्राप्त करने के लिए सिफारिश की है। चक्र संख्या और तापमान ठीक इच्छित मोटाई के साथ अल 2 ओ 3 परत प्राप्त करने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है। नैनो-अंतराल (चित्रा 3H) के आकार nanopillar आधारित SRRs के उच्च क्यू कारकों को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। नैनो अंतराल के आकार की वृद्धि हुई है नैनो अंतराल के अंदर ऊर्जा भंडारण, जो एक उच्च क्यू कारक की ओर जाता है बढ़ जाती है। हालांकि नैनो अंतराल के आकार को बिना किसी सीमा नहीं बढ़ाई जा सकती। नैनो की खाई आकार के बारे में 50 एनएम से अधिक है, तो Au nanopillars के बीच विस्थापन वर्तमान नाटकीय रूप से चला जाता है और n के माध्यम से पारित करने में असमर्थ हैAno-अंतराल, गुंजयमान प्रतिक्रियाओं के लापता होने के लिए अग्रणी। इसके अलावा, अगर अल 2 ओ 3 नैनो अंतराल के आकार, कम से कम 2 एनएम, Au बयान टूटने अचालक बाधा कर सकते हैं (अल 2 ओ 3 नैनो अंतराल) के लिए विद्युत वोल्टेज है Au nanopillars और बीच चालन में जिसके परिणामस्वरूप Au विद्युत समाधान है, जो एक दूसरे Au परत Au nanopillars के शीर्ष पर electroplated की ओर जाता है (एक पहला स्वर्ण परत)। इस सीमा कठिनाई Au nanopillars के बीच अचालक बाधा को तोड़ने के बिना 2 अति पतली अल ओ 3 अंतराल को प्राप्त करने के लिए जाता है।

एक परिमित तत्व विधि (एफईएम) SRRs (चित्रा 3 आई और 3K) अनुकरण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था। ट्रांसमिशन स्पेक्ट्रा में तीन गूंज चोटियों पहले (1 सेंट) मोड, दूसरा (2 एन डी) मोड, और तीसरे (3) SRR की विधा के रूप में जाना जाता है। 10 एनएम अल साथ nanopillar आधारित SRRs के संचरण स्पेक्ट्रा 3 अंतराल और 10 एनएम हवा अंतराल एक THz समय डोमेन स्पेक्ट्रोस्कोपी (चित्रा 3J और 3 एल) का उपयोग मापा गया। सभी मापा संचरण स्पेक्ट्रा नकली डाटा से मिलान, जो साबित करता है कि गढ़े nanopillar आधारित SRRs की उम्मीद है और डिजाइन को पूरा।

निरंतर धातु पतली फिल्मों और अचालक नैनो पैमाने अंतराल के संयोजन पारंपरिक फिल्म आधारित SRRs, जो क्यू कारक की तुलना में अधिक लगभग 450 (अधिक से अधिक 45 बार के अति उच्च क्यू कारकों में परिणामों की तुलना में अधिक ऊर्जा भंडारण के लिए ढ़ांचा प्रदान करते पारंपरिक पतली फिल्म आधारित SRRs) और बड़े आवृत्ति पारियों में से (17 बार पतली फिल्म आधारित SRRs की आवृत्ति पाली) से भी बड़ा आसपास। अद्वितीय निर्माण इस वीडियो में दिखाया गया है पत्रिका तकनीक एक बड़े क्षेत्र में nanopillar बनाने SRRs के हजारों के निर्माण के लिए अनुमति देता है। Au nanopillars के गठन को काफी हद तक SRRs की सतह क्षेत्रों और नैनो पैमाने अंतराल शर्त की संख्या बढ़ जाती है के बाद सेसमझना Au nanopillars ऊर्जा भंडारण की मात्रा को बढ़ाता है (बिजली प्रभार), अति उच्च क्यू कारकों एक उच्च संवेदनशीलता के लिए अग्रणी प्राप्त किया जा सकता है। इसके अलावा, पदार्थों nanopillar आधारित SRRs करने के लिए आवेदन प्रस्तुत कर रहे हैं अंदर नैनो अंतराल नैनो अंतराल के permittivity परिवर्तन में योगदान, nanopillar आधारित SRRs, जो एक उच्च चयनात्मकता की ओर जाता है की बड़ी आवृत्ति पाली में जिसके परिणामस्वरूप। इस प्रकार nanopillar आधारित SRRs Au विद्युत का उपयोग कर गढ़े और ALD तकनीक अत्यधिक तीव्र रासायनिक और biomolecular संवेदन इकाइयों के लिए आदर्श होते हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस सामग्री को काम मिनेसोटा, जुड़वा शहर के विश्वविद्यालय में एक स्टार्ट-अप कोष द्वारा समर्थित पर आधारित है। इस काम के कुछ हिस्सों विशेषता सुविधा, मिनेसोटा, NSF पोषित सामग्री अनुसंधान सुविधाएं नेटवर्क (www.mrfn.org) MRSEC कार्यक्रम के माध्यम से एक सदस्य के विश्वविद्यालय में किए गए। इस काम का एक हिस्सा भी मिनेसोटा नैनो केंद्र जो NNCI कार्यक्रम के माध्यम से NSF से आंशिक समर्थन प्राप्त करता है में किया गया।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon Wafer Siltronic AG N/A 100 mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm
Chromium Kurt J. Lesker Company EVMCR35J 99.95% pure
Copper Kurt J. Lesker Company EVMCU40QXQJ 99.99% pure
E-Beam Evaporator System Rocky Mountain Vacuum Tech. N/A RME-2000
S1813 Positive Photoresist Microposit 10018348 N/A
Spinner Best Tools S0114031123 SMART COATER 100
Mask Aligner Midas MDA-400LJ N/A
Digital Hot Plate Thermo Scientific HP131725 Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 °C
MF319 Developer Microposit 10018042 N/A
Acetone Fisher Chemical A18P-4 N/A
Isopropyl Alcohol Fisher Chemical A416-4 N/A
Gold 25 ES RTU Technic Inc. 391427 N/A
Source Meter Keithley N/A 2612 System SourceMeter
Microscope Omax NJF-120A N/A
Profilometer Tencor Instruments N/A Alpha-Step 200
APS Copper Etchant 100 Transfene Company, Inc. N/A N/A
CE-5 M Chromium Mask Etchant Transfene Company, Inc. N/A N/A
Atomic Layer Deposition System Cambridge Nano Tech inc. N/A Savannah series
Ion Mill Etching System Intlvac Thin Film N/A Nanoquest series
Ultrasonic Cleaner Crest Ultrasonics N/A Powersonic series
Hydrofluoric Acid Sigma-Aldrich 244279 Diluted to 5%
Field Emission Gun Scanning Electron Microscope Jeol Ltd. N/A JEOL 6700 series

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इंजीनियरिंग अंक 121 metamaterials terahertz विभाजन अंगूठी resonators विस्थापन वर्तमान nanopillar गुणवत्ता कारक नैनो की खाई
Terahertz Metamaterials में विस्थापन वर्तमान मध्यस्थता अनुनादों के लिए nanopillar आधारित अंगूठी resonators विभाजित का निर्माण
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Liu, C., Schauff, J., Lee, S., Cho,… More

Liu, C., Schauff, J., Lee, S., Cho, J. H. Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. J. Vis. Exp. (121), e55289, doi:10.3791/55289 (2017).

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