La fabricación de resonadores de anillo partido basadas en nanopilares para la corriente de desplazamiento mediadas resonancias en terahercios metamateriales
23 de marzo de 2017
Se presenta un protocolo para el diseño y fabricación de un nuevo resonador de anillo partido basado en nanopilares (SRR).
Este protocolo utiliza métodos de galvanoplastia de oro y deposición atómica en capas para crear nuevos metamateriales basados en anillos divididos con nanopilares que presentan brechas a escala nanométrica. Cada resonador de anillo dividido fabricado consta de miles de nanopilares de oro y se activa mediante una corriente de desplazamiento a través de las nanobrechas entre ellos, lo que excita resonancias en la región de terahercios. La magnitud de la corriente de desplazamiento es proporcional al tamaño de las nanobrechas.
El tamaño de los nanohuecos se puede ajustar modificando los ciclos del proceso de deposición atómica de capas, lo que provoca cambios en las frecuencias de resonancia y en la amplitud. Se puede alcanzar un factor de calidad mejorado de aproximadamente 450, lo que representa 40 veces más que el factor de calidad de 11 que se puede lograr con resonadores de anillo dividido basados en películas delgadas. También se puede observar un desplazamiento de frecuencia 17 veces mayor que el de los resonadores basados en películas delgadas.
Tanto los espectros de transmisión simulados como los medidos demuestran que los metamateriales basados en nanopilares son candidatos ideales para sensores altamente sensibles y dispositivos de terahercios con frecuencia ajustable. Los resultados analíticos obtenidos mediante microscopía electrónica de barrido muestran el resonador de anillo dividido basado en nanopilares fabricado, dos nanopilares de oro adyacentes, así como los espacios de óxido de aluminio de 10 nanómetros entre ellos. Los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares contienen nanopilares de oro y un espacio de óxido de aluminio de 10 nanómetros.
Esta estructura excita resonancia inductiva y capacitiva mediante corriente de desplazamiento. Proporcionan más energía a esta, aumentan la energía hacia un alto factor de calidad y un gran desplazamiento de frecuencia. Debido al alto valor de Q y al gran desplazamiento de frecuencia, el resonador dividido basado en nanopilares es adecuado para diversas aplicaciones, incluyendo sensores biomédicos y químicos, y dispositivos de ajuste de frecuencia.
La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes como la litografía por haz de electrones y el autoensamblaje es que este método combina un proceso secuencial de electrodeposición y deposición de capa atómica para obtener estructuras a escala nanométrica sobre un área grande, utilizando únicamente un proceso convencional de microfabricación. El proceso de fabricación es mucho más rápido y sencillo en comparación con la litografía por haz de electrones y el autoensamblaje. Se pueden crear fácilmente nanoestructuras de alta relación de aspecto con tamaños de características controlados con precisión.
Primero, deposite una capa de promotor de adhesión y una capa de siembra sobre un sustrato plano. Luego, modele las nanopilares mediante litografía por fotolitografía y electrodeposición. Recubra uniformemente toda la estructura con una capa dieléctrica a escala nanométrica, utilizando deposición atómica en capas.
Luego se deposita una segunda capa promotora de adhesión y una capa inicial, seguido de un depósito por electroplacado. Finalmente, cree un resonador en anillo dividido con forma de C mediante el grabado parcial de los nanopilares y los nanohuecos dieléctricos, utilizando fotolitografía y fresado iónico. A continuación, elimine la resistencia fotográfica usando acetona en un baño de ultrasonidos.
Comience la preparación del sustrato con una oblea de silicio de cuatro pulgadas de alta resistividad. Limpie la oblea de silicio con acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada. Luego, seque con gas nitrógeno.
Utilice un evaporador por haz de electrones para depositar una capa promotor de adhesión de cromo de cinco nanómetros y una capa inicial de cobre de 10 nanómetros. Corte la oblea en trozos de dos centímetros por 2,5 centímetros. Luego, aplique por centrifugado una capa de dos micrómetros de fotoresina S1813 a 2.000 RPM durante 60 segundos.
Coloque el sustrato en el horno a 115 grados Celsius durante 60 segundos. A continuación, exponga el fotoresist a la máscara de nanopilares utilizando un alineador de máscaras, con aproximadamente 15 milivatios por centímetro cuadrado de luz ultravioleta, durante 22 segundos. La máscara de nanopilares presenta arreglos de nanopilares de cinco milímetros por cinco milímetros.
Revelar el fotoresist en el revelador MF-319 con agitación durante 90 segundos. Enjuagar la muestra con agua desionizada y luego secarla con gas de nitrógeno. Eliminar la sección superior del fotoresist sobre el sustrato utilizando acetona para exponer la capa de semilla de cobre destinada a la conexión del electrodo.
Luego, sumerja la muestra en la solución de galvanoplastia de oro y aplique una capa de oro de 800 nanómetros durante aproximadamente ocho minutos. Retire el fotoresistente utilizando acetona. Enjuague con agua desionizada y seque con gas de nitrógeno.
Elimine la capa de cromo y cobre de la superficie de la muestra sumergiendo la muestra en un agente grabador de cromo durante 10 segundos, seguido de un agente grabador de cobre durante 10 segundos. A continuación, recubra uniformemente la muestra con una capa de óxido de aluminio de 10 nanómetros mediante deposición atómica de capas. Utilice un evaporador por haz de electrones para depositar una segunda capa adhesiva de cromo de cinco nanómetros, así como una segunda capa semilla de cobre de 10 nanómetros, encima de la capa de óxido de aluminio de 10 nanómetros.
Sumerja la muestra en la solución de galvanoplastia de oro durante 16 minutos, para galvanoplastiar una película de oro de 400 nanómetros sobre el sustrato. Aplique por centrifugado una capa de 2 micrómetros de fotoresina S1813 a 2.000 RPM durante 60 segundos. Incube el sustrato a 115 grados celsius durante 60 segundos.
Exponga el fotoresistente a la máscara del resonador de anillo dividido en forma de C utilizando un alineador de máscaras con aproximadamente 15 milivatios por centímetro cuadrado de luz ultravioleta, durante 22 segundos. Revele en el revelador MF-319 durante 90 segundos. Ataque químicamente las estructuras fuera del patrón del fotoresistente utilizando un sistema de ataque iónico durante aproximadamente 30 minutos.
Elimine la resistencia fotográfica utilizando acetona en un baño de ultrasonidos, luego enjuague la muestra con acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada, y seque con gas nitrógeno. Alternativamente, si se prefieren nanohuecos de aire, sumerja la muestra en una solución de ácido fluorhídrico al 5 % durante cinco minutos, para eliminar el óxido de aluminio. Inspeccione los resonadores en anillo dividido basados en nanopilares bajo un microscopio óptico.
La imagen óptica muestra dos matrices de resonadores en anillo dividido basados en nanopilares, de cinco milímetros por cinco milímetros, sobre un sustrato de silicona. La imagen aumentada obtenida con microscopio óptico muestra las matrices de resonadores en anillo dividido basadas en nanopilares con forma de C. En la imagen ampliada de un único resonador en anillo dividido pueden observarse nanopilares de oro y nanohuecos de óxido de aluminio.
Los resultados analíticos de la microscopía electrónica de barrido también mostraron el resonador en anillo dividido basado en nanopilares fabricado, compuesto por dos nanopilares adyacentes de oro, así como espacios de óxido de aluminio entre ellos. Tanto los espacios de óxido de aluminio de cinco nanómetros como los de 10 nanómetros pueden fabricarse fácilmente controlando los ciclos del proceso de deposición atómica de capas de óxido de aluminio. Estos resultados demuestran que este proceso de fabricación puede producir miles de resonadores en anillo dividido basados en nanopilares sobre un sustrato a gran escala.
El proceso permite un control preciso sobre el tamaño de los nanohuecos y puede producir fácilmente nanoestructuras de alta relación de aspecto, en comparación con la litografía por haz de electrones y la autoensamblaje. Los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares contienen miles de nanopilares de oro y huecos a escala nanométrica. Las frecuencias y amplitudes de resonancia de los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares pueden ajustarse fácilmente modificando el tamaño de los nanohuecos, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, incluyendo sensores biomédicos y dispositivos con frecuencia adaptable.
Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo fabricar resonadores en forma de anillo dividido basados en nanopilares de oro utilizando un proceso de electroplatinado de oro en dos pasos y deposición atómica de capas para crear brechas a escala nanométrica de óxido de aluminio entre los nanopilares de oro. Es importante comprender el principio de funcionamiento del proceso y elegir los materiales adecuados y los espesores correctos para cada material utilizado en el proceso.
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Resumen
Este protocolo presenta el diseño y la fabricación de un resonador de anillo dividido (SRR) novedoso basado en nanopilares, que utiliza métodos de electrodeposición de oro y deposición atómica en capas. Los metamateriales resultantes presentan brechas a escala nanométrica que potencian las resonancias en terahercios.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Nanotecnología
- Metamateriales
- Electromagnetismo
Antecedentes
- Los resonadores de anillo dividido son componentes esenciales en los metamateriales.
- Los nanopalos de oro se utilizan para crear estructuras a escala nanométrica.
- La corriente de desplazamiento a través de nanohuecos impulsa los resonadores.
- Los factores de calidad y las frecuencias de resonancia son fundamentales para las aplicaciones.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un protocolo para la creación de resonadores de anillo dividido de alta calidad.
- Mejorar el rendimiento de los resonadores mediante la ingeniería a escala nanométrica.
- Investigar la relación entre el tamaño del nanohueco y las propiedades resonantes.
Métodos Utilizados
- Galvanoplastia de oro para la fabricación de nanopilares.
- Deposición atómica en capas para el control preciso del tamaño de los nanohuecos.
- Medición de la corriente de desplazamiento a través de los nanohuecos.
- Análisis de frecuencias resonantes y factores de calidad.
Resultados principales
- Logró un factor de calidad mejorado de aproximadamente 450.
- El factor de calidad es 40 veces mayor que el de los resonadores de película delgada.
- Observó un desplazamiento de frecuencia 17 veces mayor que el de los resonadores basados en películas delgadas.
- Demostó la posibilidad de ajustar las propiedades resonantes mediante la variación del tamaño del nanohueco.
Conclusiones
- El protocolo desarrollado permite la fabricación de resonadores de anillos divididos (SRR) avanzados.
- Se pueden lograr propiedades resonantes mejoradas mediante la ingeniería a escala nanométrica.
- Este trabajo abre nuevas vías para investigaciones futuras en metamateriales y aplicaciones en terahercios.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
Los resonadores en anillo dividido basados en nanopilares permiten la detección terahercios de alto factor de calidad con sensibilidad y selectividad mejoradas para la detección de biomoléculas. El mecanismo de resonancia mediado por corrientes de desplazamiento proporciona una lectura biocompatible y no destructiva adecuada para aplicaciones de biosensado sin marcadores. Esta tecnología posibilita la validación temprana de dianas al ofrecer una plataforma ajustable y de alta resolución para detectar interacciones moleculares en matrices biológicas complejas.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite la investigación de eventos de unión biomolecular mediante cambios de frecuencia medibles en resonancias de terahercios.
- Valor operativo: Proporciona una lectura sin marcadores y en tiempo real que reduce la complejidad del ensayo y la dependencia de reactivos.
- Valor predictivo: Un factor de calidad alto (hasta 450) mejora la relación señal-ruido, aumentando la confianza en los datos iniciales de interacción con el blanco.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: El ajuste de la separación a escala nanométrica permite un control preciso sobre la frecuencia de resonancia, posibilitando la detección multiplexada de múltiples analitos.
- Valor operativo: La fabricación utiliza microfabricación convencional (fotolitografía, electroplacado, ALD), lo que favorece la escalabilidad y la reproducibilidad entre lotes.
- Preparación del ensayo: Las separaciones uniformes de Al2O3 mediante ALD garantizan una respuesta sensora consistente, fundamental para la fiabilidad del cribado de alto rendimiento.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Continuidad Translacional: La radiación terahercio biocompatible permite una interacción segura con biomateriales, favoreciendo la integración de tejidos ex vivo y dispositivos microfluídicos tipo órgano-en-un-chip.
- Reducción de Riesgos Mecanicistas: La dependencia de la corriente de desplazamiento respecto al tamaño del nanointervalo proporciona una señal cuantificable basada en principios físicos que reduce la ambigüedad en la interpretación de la unión molecular.
- Relevancia en Modelos Preclínicos: El aumento en el desplazamiento de frecuencia (17× mayor que en películas delgadas) mejora la detección de biomarcadores de baja abundancia en muestras preclínicas complejas.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
El SRR basado en nanopilares se integra en la continuidad del descubrimiento, desde el cribado de interacción con el blanco hasta la optimización del fármaco líder, donde la detección sensible y sin marcadores de interacciones moleculares orienta las decisiones de continuar o descartar.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis mediante la detección de cambios conformacionales o cinética de unión a través de desplazamientos en la frecuencia de resonancia.
- Selección: Permite la estandarización de ensayos mediante la fabricación reproducible de nanohuecos y el aumento consistente del factor Q.
- Análisis: Proporciona salidas cuantitativas en el dominio de la frecuencia que permiten la comparación entre distintas condiciones y bibliotecas de compuestos.
- Investigación Traducional: Se conecta con la validación preclínica gracias a su funcionamiento biocompatible y compatibilidad con entornos biológicos acuosos.
- Reutilización Empresarial: El proceso de fabricación es modular y escalable, lo que permite su reutilización en múltiples clases de dianas y formatos de ensayo.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Un factor Q alto y un gran desplazamiento de frecuencia mejoran los límites de detección y reducen los falsos negativos en el cribado temprano.
- Valor operativo: Combina la electrodeposición y el ALD para la fabricación rápida y de bajo costo de nanoestructuras en grandes áreas sin litografía por haz de electrones.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones más acertadas de continuar o descartar al aumentar la confianza en los datos de validación temprana de objetivos.
- Impacto en la cartera: Apoya la priorización ajustada al riesgo mediante una mayor confianza predictiva en los ensayos de detección de biomarcadores.
Consideraciones de Implementación
- Requiere experiencia en microfabricación, fotolitografía y técnicas de electrodeposición.
- Depende del acceso a sistemas de deposición por capas atómicas para un control preciso de los nanohuecos.
- Necesita flujos de trabajo compatibles con sala blanca para la formación consistente de pilas Au-Al2O3-Au.
- La adaptación a diferentes objetivos biomoleculares puede requerir estrategias de funcionalización de superficie.
- Limitación práctica: El rendimiento depende del control preciso del hueco; la variabilidad en los ciclos de deposición por capas atómicas puede afectar la reproducibilidad si no se controla estrictamente.
