تصنيع حزام تقسيم دوائر الرنين عمود نانوي القائم على النزوح الحالي الرنين وساطة في تيراهيرتز يتعلق بما وارء

يستخدم هذا البروتوكول طرق الطلاء الكهربائي بالذهب والترسيب بطبقات ذرية لإنشاء مواد خارقة (metamaterials) جديدة من الرنانات الحلقية المشقوقة القائمة على الأعمدة النانوية وبفجوات نانوية المقياس. يتكون كل رنان حلقي مشقوق مُصنَّع من آلاف الأعمدة النانوية الذهبية، ويتم تشغيله بواسطة تيار الإزاحة عبر الفجوات النانوية الموجودة بينها، مما يؤدي إلى إثارة رنينات تيرهرتز. وتتناسب قيمة تيار الإزاحة طردياً مع حجم الفجوات النانوية.

يمكن ضبط حجم الفجوات النانوية عن طريق تغيير دورات عملية ترسيب الطبقة الذرية، مما يؤدي إلى تغييرات في الترددات الرنينية والسعة. ويمكن تحقيق عامل جودة محسّن يصل إلى 450 تقريبًا، وهو أكبر بـ 40 مرة من عامل الجودة البالغ 11 الذي يمكن تحقيقه بواسطة الرنانات حلقية الشق ذات الغشاء الرقيق. كما يمكن ملاحظة إزاحة في التردد أكبر بـ 17 مرة من تلك الموجودة في الرنانات القائمة على الأغشية الرقيقة.

تظهر أطياف النفاذية، المحاكات والمقاسة على حد سواء، أن المواد الميتا-مادية القائمة على الأعمدة النانوية تعد مرشحات مثالية للمستشعرات عالية الحساسية وأجهزة التيرهرتز الرشيقة ترددياً. وتظهر النتائج التحليلية المستمدة من المجهر الإلكتروني الماسح الرنان حلقي الشق المصنع القائم على الأعمدة النانوية، حيث يتكون من عمودين نانويين ذهبيين متجاورين، بالإضافة إلى فجوات من أكسيد الألومنيوم بحجم 10 nanometer بينهما. تحتوي الرنانات الشقية القائمة على الأعمدة النانوية على أعمدة نانوية ذهبية وفجوة من أكسيد الألومنيوم بحجم 10 nanometer.

تثير هذه البنية رنيناً حثياً وسعويًا عبر تيار الإزاحة. فهي تمدها بمزيد من الطاقة، وتعزز هذه الطاقات للوصول إلى عامل جودة مرتفع وإزاحة ترددية كبيرة. وبسبب قيمة Q العالية والإزاحة الترددية الكبيرة، فإن الرنان المشقوق القائم على الأعمدة النانوية مناسب لمختلف التطبيقات، بما في ذلك المستشعرات الكيميائية والحيوية الطبية، وأجهزة ضبط التردد.

تكمن الميزة الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بالطرق الحالية مثل الطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية والتجميع الذاتي في أنها تجمع بين عملية طلاء كهربائي متسلسلة وترسيب الطبقات الذرية لتحقيق بنى نانوية على مساحة واسعة، باستخدام عمليات التصنيع الدقيق التقليدية فقط. كما أن عملية التصنيع أسرع وأبسط بكثير مقارنة بالطباعة الحجرية بالحزمة الإلكترونية والتجميع الذاتي. ويمكن إنشاء بنى نانوية ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية بسهولة مع التحكم الدقيق في أحجام السمات.

أولاً، يتم ترسيب طبقة معززة للالتصاق وطبقة بذرة على ركيزة مسطحة. بعد ذلك، يتم تشكيل الأعمدة النانوية باستخدام الطباعة الضوئية والطلاء الكهربائي. ثم تُغلف البنية بأكملها بطبقة عازلة نانوية بشكل موحد، وذلك باستخدام الترسيب بالطبقات الذرية.

يتم بعد ذلك ترسيب طبقة ثانية من معزز الالتصاق وطبقة بذرة، يليهما ترسيب بالطلاء الكهربائي. وأخيرًا، يتم إنشاء رنان حلقي مشقوق على شكل حرف C عن طريق الحفر الجزئي للأعمدة النانوية والفجوات النانوية العازلة، باستخدام الطباعة الضوئية والطحن الأيوني. ثم يتم إزالة مقاوم الضوء باستخدام الأسيتون في حمام موجات فوق صوتية.

ابدأ بتحضير الركيزة باستخدام رقاقة سيليكون ذات مقاومية عالية بقطر أربع بوصات. نظف رقاقة السيليكون باستخدام الأسيتون، وكحول الإيزوبروبيل، والماء منزوع الأيونات. بعد ذلك، جففها بالنفخ باستخدام غاز النيتروجين.

استخدم مبخر الشعاع الإلكتروني لترسيب طبقة معززة للالتصاق من الكروم بسمك 5 nanometer وطبقة بذرية من النحاس بسمك 10 nanometer. قم بتقطيع الرقاقة إلى قطع بحجم 2 centimeter في 2.5 centimeter. بعد ذلك، قم بطلاء طبقة من مادة S1813 Photoresist بسمك 2 µm عن طريق الطلاء الدوراني بسرعة 2,000 RPM لمدة 60 ثانية.

يتم خبز الركيزة عند 115 °C لمدة 60 ثانية. بعد ذلك، يُعرّض المقاوم الضوئي (Photoresist) لقناع الأعمدة النانوية باستخدام محاذٍ للأقنعة، بتركيز تقريبي يبلغ 15 mW/cm² من الأشعة فوق البنفسجية، لمدة 22 ثانية. يتميز قناع الأعمدة النانوية بمصفوفات من الأعمدة النانوية بمساحة 5 mm × 5 mm.

قم بتظهير المادة المقاومة للضوء (Photoresist) في مُظهر MF-319 مع التقليب، لمدة 90 ثانية. اشطف العينة بالماء منزوع الأيونات، ثم جففها بالنفخ باستخدام غاز النيتروجين. قم بإزالة الجزء العلوي من المادة المقاومة للضوء الموجودة على الركيزة باستخدام الأسيتون لكشف طبقة البذور النحاسية من أجل توصيل الأقطاب الكهربائية.

بعد ذلك، اغمس العينة في محلول الطلاء الكهربائي للذهب وقم بطلاء طبقة من الذهب بسمك 800 nanometer لمدة ثماني دقائق تقريبًا. قم بإزالة Photoresist باستخدام الأسيتون. اشطف العينة بالماء منزوع الأيونات، وجففها بالنفخ باستخدام غاز النيتروجين.

قم بإزالة طبقتي الكروم والنحاس عن سطح العينة عن طريق غمر العينة في محلول نقش الكروم لمدة 10 seconds، يليه محلول نقش النحاس لمدة 10 seconds. الآن، قم بتغطية العينة بشكل متجانس بطبقة من أكسيد الألومنيوم بسماكة 10 nanometer باستخدام ترسيب الطبقة الذرية. استخدم مبخر الحزمة الإلكترونية لترسيب طبقة ثانية من معزز الالتصاق من الكروم بسماكة 5 nanometer، بالإضافة إلى طبقة بذرة نحاس ثانية بسماكة 10 nanometer، فوق طبقة أكسيد الألومنيوم ذات الـ 10 nanometer.

اغمر العينة في محلول الطلاء الكهربائي بالذهب لمدة 16 دقيقة، لترسيب طبقة من الذهب بسمك 400 nanometer على الركيزة. قم بطلاء طبقة بسمك اثنين micrometer من مقاوم الضوء S1813 باستخدام الطلاء الدوراني بسرعة 2,000 RPM لمدة 60 ثانية. اخبز الركيزة عند 115 degrees celsius لمدة 60 ثانية.

قم بتعريض المقاوم الضوئي لقناع المرنان ذو الحلقة المشقوقة على شكل حرف C باستخدام جهاز محاذاة الأقنعة بضوء فوق بنفسجي بقوة 15 milliwatts per centimeter squared تقريباً، لمدة 22 ثانية. ثم قم بالتظهير في مُظهر MF-319 لمدة 90 ثانية. بعد ذلك، قم بنقش الهياكل الموجودة خارج نمط المقاوم الضوئي باستخدام نظام طحن أيوني لمدة 30 دقيقة تقريباً.

أزل مادة مقاومة الضوء (Photoresist) باستخدام الأسيتون في حمام سونيكة (ultrasonication bath)، ثم اشطف العينة بالأسيتون، وكحول الإيزوبروبيل، والماء منزوع الأيونات، ثم جففها بالتجفيف بالنفخ باستخدام غاز النيتروجين. بدلاً من ذلك، إذا كانت الفجوات النانوية الهوائية هي المفضلة، اغمر العينة في محلول فلوريد الهيدروجين بتركيز 5% لمدة خمس دقائق لإزالة أكسيد الألومنيوم. افحص الرنانات الحلقية المشقوقة القائمة على الأعمدة النانوية تحت مجهر ضوئي.

يُظهر التصوير الضوئي مصفوفتين من الرنانات ذات الحلقة المشقوقة القائمة على الأعمدة النانوية بمقاس 5 مليمتر في 5 مليمتر على ركيزة من السيليكون. وتُظهر صورة المجهر الضوئي المكبرة مصفوفات الرنانات ذات الحلقة المشقوقة القائمة على الأعمدة النانوية على شكل حرف C. ويمكن ملاحظة الأعمدة النانوية الذهبية والفجوات النانوية من أكسيد الألومنيوم في الصورة المكبرة لرنان واحد ذو حلقة مشقوقة.

أظهرت النتائج التحليلية المأخوذة من المجهر الإلكتروني الماسح أيضاً الرنان الحلقي المشقوق المصنع القائم على الأعمدة النانوية، وهو عبارة عن عمودين نانويين من الذهب متجاورين، بالإضافة إلى فجوات من أكسيد الألومنيوم بينهما. يمكن تصنيع كل من فجوات أكسيد الألومنيوم بحجم 5 nanometer وفجوات أكسيد الألومنيوم بحجم 10 nanometer بسهولة عن طريق التحكم في دورات عملية ترسيب الطبقة الذرية لأكسيد الألومنيوم. وتوضح هذه النتائج أن عملية التصنيع هذه يمكنها إنتاج الآلاف من الرنانات الحلقية المشقوقة القائمة على الأعمدة النانوية على ركيزة واسعة النطاق.

تسمح هذه العملية بالتحكم الدقيق في حجم الفجوات النانوية، ويمكنها إنتاج هياكل نانوية ذات نسبة عرض إلى ارتفاع عالية بسهولة، وذلك مقارنة بتقنيات الليثوغرافيا بالحزمة الإلكترونية والتجميع الذاتي. تحتوي الرنانات ذات الحلقة المشقوقة القائمة على الركائز النانوية على الآلاف من الركائز النانوية الذهبية والفجوات النانوية. ويمكن ضبط ترددات الرنين وسعات الرنانات ذات الحلقة المشقوقة القائمة على الركائز النانوية بسهولة عن طريق تغيير حجم الفجوات النانوية، مما يجعلها مناسبة لمختلف التطبيقات، بما في ذلك المستشعرات الطبية الحيوية والأجهزة المرنة التردد.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكون لديك معرفة جيدة بكيفية صنع رنانات حلقية مشقوقة تعتمد على أعمدة نانوية ذهبية باستخدام عملية مطلية بالذهب كهربائياً على خطوتين وعملية ترسيب الطبقة الذرية لإنشاء فجوات نانوية من أكسيد الألومنيوم بين الأعمدة النانوية الذهبية. ومن المهم فهم مبدأ عمل هذه العملية واختيار المواد والسماكات المناسبة لكل مادة مستخدمة في العملية.