La fabricación de resonadores de anillo partido basadas en nanopilares para la corriente de desplazamiento mediadas resonancias en terahercios metamateriales

Este protocolo utiliza métodos de galvanoplastia de oro y deposición de capas atómicas para crear nuevos metamateriales de resonadores de anillo dividido basados en nanopilares con brechas a nanoescala. Cada resonador de anillo dividido fabricado consta de miles de nanopilares de oro y es impulsado por la corriente de desplazamiento a través de los nanoespacios entre ellos, lo que excita las resonancias de terahercios. La magnitud de la corriente de desplazamiento es proporcional al tamaño de los nanohuecos.

El tamaño de los nanogaps se puede ajustar cambiando los ciclos del proceso de deposición de la capa atómica, lo que da como resultado cambios en las frecuencias de resonancia y la amplitud. Se puede lograr un factor de calidad mejorado de aproximadamente 450, que es 40 veces más que el factor de calidad de 11 que se puede lograr con resonadores de anillo dividido de película delgada. También se puede observar un cambio de frecuencia 17 veces mayor que el de los resonadores basados en película delgada.

Tanto los espectros de transmisión simulados como los medidos demuestran que los metamateriales basados en nanopilares son candidatos ideales para sensores de alta sensibilidad y dispositivos de terahercios con flexibilidad de frecuencia. Los resultados analíticos de la microcopia 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 divididos basados en nanopilares contienen nanopilares de oro y un espacio de óxido de aluminio de 10 nanómetros.

Esta estructura excita la resonancia inductiva y capacitiva a través de la corriente de desplazamiento. Le proporcionan más energías, mejoran las energías hacia estos a un factor de alta calidad y un gran cambio de frecuencia. Debido al alto valor Q y al gran cambio de frecuencia, el resonador dividido basado en nanopilares es adecuado para diversas aplicaciones, incluidos sensores biomédicos y químicos, y dispositivos de ajuste de frecuencia.

La principal ventaja de esta técnica sobre los métodos existentes, como la litografía por haz de electrones y el autoensamblaje, es que este método combina un proceso secuencial de electrochapado y deposición de capas atómicas para realizar estructuras a nanoescala en un área grande, con solo un proceso de microfabricación convencional. El proceso de fabricación es mucho más rápido y sencillo en comparación con la litografía por haz de electrones y el automontaje. Las nanoestructuras de alta relación de aspecto se pueden crear fácilmente con tamaños de características controlados con precisión.

En primer lugar, depositar y adherir una capa promotora y una capa de semillas sobre un sustrato plano. A continuación, modele los nanopilares mediante fotolitografía y galvanoplastia. Recubrimiento uniforme de una capa dieléctrica a nanoescala en toda la estructura, utilizando la deposición de capas atómicas.

A continuación, se deposita una segunda capa promotora de adhesión y una capa de semilla, seguidas de una deposición por galvanoplastia. Por último, cree un resonador de anillo dividido en forma de C grabando parcialmente los nanopilares y las nanobrechas dieléctricas, utilizando fotolitografía y molienda de iones. A continuación, retire la fotorresistencia con acetona en un baño de ultrasonidos.

Comience la preparación del sustrato con una oblea de silicona de alta resistividad de cuatro pulgadas. Limpie la oblea de silicona con acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada. A continuación, sécalo con nitrógeno gaseoso.

Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar una capa promotora de adhesión de cromo de cinco nanómetros y una capa de semillas de cobre de 10 nanómetros. Corta la oblea en trozos de dos centímetros por 2,5 centímetros. A continuación, aplicar una capa de dos micrómetros de S1813 Photoresist, a 2.000 RPM, durante 60 segundos.

Hornea el sustrato a 115 grados centígrados durante 60 segundos. Ahora, exponga el Photoresist a la máscara de nanopilar usando un alineador de máscara, con aproximadamente 15 milivatios por centímetro cuadrado de luz ultravioleta, durante 22 segundos. La máscara de nanopilares cuenta con matrices de nanopilares de cinco milímetros por cinco milímetros.

Revelar el Photoresist en revelador MF-319 con agitación, durante 90 segundos. Enjuague la muestra con agua desionizada y luego séquela con gas nitrógeno. Retire la sección superior del Photoresist en el sustrato con acetona para exponer la capa de semilla de cobre para la conexión del electrodo.

Luego, sumerja la muestra en una solución de galvanoplastia de oro y galvanoplastia una capa de oro de 800 nanómetros durante aproximadamente ocho minutos. Retire el Photoresist con acetona. Enjuague con agua desionizada y seque con nitrógeno gaseoso.

Retire la capa de cromo y cobre de la superficie de la muestra sumergiéndola en un grabador de cromo durante 10 segundos, seguido de un grabador de cobre durante 10 segundos. Ahora, cubra uniformemente la muestra con una capa de óxido de aluminio de 10 nanómetros utilizando la deposición de capas atómicas. Utilice un evaporador de haz de electrones para depositar una segunda capa promotora de adhesión de cromo de cinco nanómetros, así como una segunda capa de semilla de cobre de 10 nanómetros, encima de la capa de óxido de aluminio de 10 nanómetros.

Sumerja la muestra en una solución de galvanoplastia de oro durante 16 minutos, para galvanizar una película de oro de 400 nanómetros sobre el sustrato. Aplica una capa de dos micrómetros de S1813 Photoresist a 2.000 rpm durante 60 segundos. Hornea el sustrato a 115 grados centígrados durante 60 segundos.

Exponga el Photoresist a la máscara resonadora de anillo dividido en forma de C utilizando un alineador de máscara con aproximadamente 15 milivatios por centímetro cuadrado de luz UV, durante 22 segundos. Revele en el revelador MF-319 durante 90 segundos. Grabe las estructuras fuera del patrón fotorresistente utilizando un sistema de molino de iones durante aproximadamente 30 minutos.

Retire el Photoresist con acetona en un baño de ultrasonidos, luego enjuague la muestra con acetona, alcohol isopropílico y agua desionizada, luego seque con gas nitrógeno. Alternativamente, si se prefieren los nanoespacios de aire, sumerja la muestra en una solución de fluoruro de hidrógeno al 5% durante cinco minutos para eliminar el óxido de aluminio. Inspeccione los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares bajo un microscopio óptico.

Las imágenes ópticas muestran dos matrices de resonadores de anillo dividido basados en nanopilares de cinco milímetros por cinco milímetros sobre un sustrato de silicona. La imagen ampliada del microscopio óptico muestra las matrices de resonadores de anillo dividido basadas en nanopilares en forma de C. Los nanopilares de oro y las nanobrechas de óxido de aluminio se pueden observar en la imagen ampliada de un solo resonador de anillo dividido.

Los resultados analíticos de la microscopía electrónica de barrido también mostraron el resonador de anillo dividido basado en nanopilares fabricado, dos nanopilares de oro adyacentes, así como espacios de óxido de aluminio entre ellos. Tanto los espacios de óxido de aluminio de cinco nanómetros como los espacios de óxido de aluminio de 10 nanómetros se pueden fabricar fácilmente controlando los ciclos del proceso de deposición de la capa atómica de óxido de aluminio. Estos resultados muestran que este proceso de fabricación puede producir miles de resonadores de anillo dividido basados en nanopilares en un sustrato a gran escala.

El proceso permite un control preciso sobre el tamaño de los nanogaps, y puede producir fácilmente nanoestructuras de alta relación de aspecto, en comparación con la litografía por haz de electrones y el autoensamblaje. Los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares contienen miles de nanopilares de oro y brechas a nanoescala. Las frecuencias de resonancia y las amplitudes de los resonadores de anillo dividido basados en nanopilares se pueden ajustar fácilmente cambiando el tamaño de los nanoespacios, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones, incluidos sensores biomédicos y dispositivos de frecuencia ágil.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo hacer resonadores de anillo dividido basados en nanopilares de oro utilizando un proceso de galvanoplastia de oro de dos pasos y deposición de capas anatómicas para crear espacios a nanoescala de óxido de aluminio entre los nanopilares de oro. Es importante comprender el principio de funcionamiento del proceso y elegir los materiales y espesores adecuados para cada material utilizado en el proceso.