Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien

Dieses Protokoll verwendet Methoden der Goldgalvanik und der Atomlagenabscheidung, um neuartige Metamaterialien auf Nanosäulenbasis für Spaltringresonatoren mit nanoskaligen Lücken herzustellen. Jeder hergestellte Spaltringresonator besteht aus Tausenden von Goldnanosäulen und wird durch einen Verschiebungsstrom durch die Nanolücken zwischen ihnen angetrieben, wodurch Terahertz-Resonanzen angeregt werden. Die Größe des Verschiebungsstroms ist proportional zur Größe der Nanolücken.

Die Größe der Nanolücken kann durch Ändern der Zyklen des Atomlagenabscheidungsprozesses eingestellt werden, was zu Änderungen der Resonanzfrequenzen und der Amplitude führt. Es kann ein verbesserter Qualitätsfaktor von etwa 450 erreicht werden, was 40-mal mehr ist als der Qualitätsfaktor von 11, der von Dünnschicht-Spaltringresonatoren erreicht werden kann. Auch eine Frequenzverschiebung, die 17-mal größer ist als die von Dünnschicht-basierten Resonatoren, ist zu beobachten.

Sowohl simulierte als auch gemessene Transmissionsspektren zeigen, dass die auf Nanosäulen basierenden Metamaterialien ideale Kandidaten für hochempfindliche Sensoren und frequenzagile Terahertz-Bauelemente sind. Analyseergebnisse aus der Rasterelektronenmikroskopie zeigen den hergestellten Nanosäulen-basierten Spaltringresonator, zwei benachbarte Gold-Nanosäulen sowie die 10 Nanometer großen Aluminiumoxid-Lücken zwischen ihnen. Split-Resonatoren auf Nanosäulenbasis enthalten Gold-Nanosäulen und einen Aluminiumoxidspalt von 10 Nanometern.

Diese Struktur regt induktive und kapazitive Resonanz über einen Verschiebungsstrom an. Sie stellen ihm mehr Energien zur Verfügung, erhöhen die Energien in Richtung dieser zu einem hohen Qualitätsfaktor und einer großen Frequenzverschiebung. Aufgrund des hohen Q-Wertes und der großen Frequenzverschiebung eignen sich die auf Nanosäulen basierenden Split-Resonatoren für verschiedene Anwendungen, einschließlich biomedizinischer und chemischer Sensoren sowie Frequenzabstimmungsgeräte.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie der Elektronenstrahllithographie und Selbstorganisation besteht darin, dass diese Methode einen sequentiellen Elektrooplatierungsprozess und eine Atomlagenabscheidung kombiniert, um nanoskalige Strukturen über eine große Fläche zu realisieren, wobei nur ein herkömmlicher Mikrofabrikationsprozess erforderlich ist. Der Herstellungsprozess ist im Vergleich zur Elektronenstrahllithographie und Selbstorganisation viel schneller und einfacher. Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis können mit präzise kontrollierten Merkmalsgrößen einfach erzeugt werden.

Zuerst Ablagerungs- und Haftvermittlerschicht und eine Keimschicht auf einem ebenen Substrat. Strukturieren Sie dann die Nanosäulen mit Hilfe von Fotolithographie und Galvanik. Beschichten Sie die gesamte Struktur gleichmäßig mit einer nanoskaligen dielektrischen Schicht unter Verwendung der Atomlagenabscheidung.

Anschließend werden eine zweite Haftvermittlerschicht und eine Keimschicht abgeschieden, gefolgt von einer galvanischen Abscheidung. Erstellen Sie schließlich einen C-förmigen Spaltring-Resonator, indem Sie die Nanosäulen und dielektrischen Nanolücken mithilfe von Fotolithographie und Ionenfräsen teilweise ätzen. Entfernen Sie dann den Fotolack mit Aceton in einem Ultraschallbad.

Beginnen Sie die Substratvorbereitung mit einem vier Zoll großen Silikonwafer mit hohem Widerstand. Reinigen Sie den Silikonwafer mit Aceton, Isopropylalkohol und entionisiertem Wasser. Anschließend mit Stickstoffgas föhnen.

Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um eine fünf Nanometer große Chrom-Haftvermittlerschicht und eine 10 Nanometer große Kupfer-Keimschicht abzuscheiden. Schneiden Sie die Waffel in zwei Zentimeter mal 2,5 Zentimeter große Stücke. Anschließend wird eine zwei Mikrometer dicke Schicht S1813 Fotolack bei 2.000 U/min 60 Sekunden lang geschleudert.

Das Substrat bei 115 Grad Celsius 60 Sekunden backen. Setzen Sie nun den Photoresist mit einem Masken-Aligner 22 Sekunden lang mit etwa 15 Milliwatt pro Quadratzentimeter ultraviolettem Licht der Nanosäulenmaske aus. Die Nanosäulenmaske besteht aus fünf mal fünf Millimeter großen Nanosäulenarrays.

Entwickeln Sie den Fotolack im MF-319 Entwickler unter Rühren für 90 Sekunden. Spülen Sie die Probe mit entionisiertem Wasser ab und föhnen Sie sie dann mit Stickstoffgas. Entfernen Sie den oberen Teil des Fotolacks auf dem Substrat mit Aceton, um die Kupferseed-Schicht für die Elektrodenverbindung freizulegen.

Tauchen Sie dann die Probe in Goldgalvaniklösung und galvanisieren Sie eine 800 Nanometer dicke Goldschicht für etwa acht Minuten. Entfernen Sie den Fotolack mit Aceton. Mit entionisiertem Wasser abspülen und mit Stickstoffgas föhnen.

Entfernen Sie die Chrom- und Kupferschicht auf der Oberfläche der Probe, indem Sie die Probe 10 Sekunden lang in Chromätzmittel tauchen, gefolgt von Kupferätzmittel für 10 Sekunden. Beschichten Sie nun die Probe gleichmäßig mit einer 10 Nanometer Aluminiumoxidschicht durch Atomlagenabscheidung. Verwenden Sie einen Elektronenstrahlverdampfer, um eine zweite fünf Nanometer große Chromhaftvermittlerschicht sowie eine zweite 10 Nanometer dicke Kupfersaatschicht auf der 10 Nanometer Aluminiumoxidschicht abzuscheiden.

Tauchen Sie die Probe 16 Minuten lang in Goldgalvaniklösung, um einen 400 Nanometer großen Goldfilm auf dem Substrat zu galvanisieren. Schleudern Sie eine zwei Mikrometer dicke Schicht S1813 Fotolack bei 2.000 U/min für 60 Sekunden. Das Substrat bei 115 Grad Celsius 60 Sekunden backen.

Setzen Sie den Photoresist 22 Sekunden lang der C-förmigen Split-Ring-Resonatormaske mit einem Masken-Aligner mit etwa 15 Milliwatt pro Quadratzentimeter UV-Licht aus. Entwickeln Sie 90 Sekunden lang im MF-319 developer. Ätzen Sie die Strukturen außerhalb des Photoresist-Musters mit einem Ionenmühlensystem für ca. 30 Minuten.

Entfernen Sie den Fotolack mit Aceton in einem Ultraschallbad, spülen Sie die Probe dann mit Aceton, Isopropylalkohol und deionisiertem Wasser ab und föhnen Sie sie dann mit Stickstoffgas trocken. Wenn Luft-Nanolücken bevorzugt werden, tauchen Sie die Probe alternativ fünf Minuten lang in 5%ige Fluorwasserstofflösung, um das Aluminiumoxid zu entfernen. Untersuchen Sie die auf Nanosäulen basierenden Spaltringresonatoren unter einem optischen Mikroskop.

Die optische Bildgebung zeigt zwei fünf mal fünf Millimeter große Spaltring-Resonator-Arrays auf Nanosäulenbasis auf einem Silikonsubstrat. Das vergrößerte, optische Mikroskopbild zeigt die C-förmigen, auf Nanosäulen basierenden Spaltring-Resonator-Arrays. Gold-Nanosäulen- und Aluminiumoxid-Nanolücken sind in der vergrößerten Aufnahme eines einzelnen Spaltring-Resonators zu sehen.

Analyseergebnisse aus der Rasterelektronenmikroskopie zeigten auch den hergestellten Nanosäulen-basierten Spaltringresonator, zwei benachbarte Gold-Nanosäulen sowie Aluminiumoxid-Lücken zwischen ihnen. Sowohl Aluminiumoxidlücken von fünf Nanometern als auch Aluminiumoxidlücken von 10 Nanometern können leicht hergestellt werden, indem die Zyklen des Aluminiumoxid-Atomlagenabscheidungsprozesses gesteuert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit diesem Herstellungsprozess Tausende von Nanosäulen-basierten Spaltringresonatoren auf einem großflächigen Substrat hergestellt werden können.

Das Verfahren ermöglicht eine präzise Kontrolle über die Größe der Nanolücken und kann im Vergleich zur Elektronenstrahllithographie und Selbstorganisation problemlos Nanostrukturen mit hohem Aspektverhältnis herstellen. Die auf Nanosäulen basierenden Spaltringresonatoren enthalten Tausende von Goldnanosäulen und nanoskaligen Lücken. Die Resonanzfrequenzen und Amplituden der auf Nanosäulen basierenden Spaltring-Resonatoren können durch Ändern der Größe der Nanolücken einfach abgestimmt werden, wodurch sie für verschiedene Anwendungen geeignet sind, einschließlich biomedizinischer Sensoren und frequenzagiler Bauelemente.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man auf Goldnanosäulen basierende Spaltringresonatoren mit einem zweistufigen Goldgalvanik- und anatomischen Schichtabscheidungsverfahren herstellt, um Aluminiumoxid-Nanolücken zwischen Goldnanosäulen zu erzeugen. Es ist wichtig, das Funktionsprinzip des Prozesses zu verstehen und für jedes im Prozess verwendete Material die richtigen Materialien und Dicken auszuwählen.