Terahertz Metamalzemeler de Yerdeğiştirme Akımı aracılığı Rezonansları için Nanopillar Tabanlı Bölünmüş Yüzük Rezonatörler Fabrikasyon
Summary
tasarım ve yeni bir nanopillar tabanlı bölünmüş halka rezonatör (SRR) imalatı için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
SRR böyle rezonatör çevreleyen sıcaklık ve basınç gibi çevresel özelliklere etkilenmez çünkü Terahertz (THz) bölünmüş halka rezonatör (SRR) metamalzemeler (MMS) gaz, kimyasal ve biyomoleküler algılama uygulamaları için çalışılmıştır. THz frekanslarda elektromanyetik radyasyon kritik bir durum, özellikle biyomoleküler algılama uygulama için olan biyo-uyumlu olan. Ancak, kalite faktörü (Q-faktörü) ve geleneksel ince film tabanlı bölünmüş halka rezonatör frekans yanıtları (SRR) MMs sensörler olarak hassasiyetleri ve seçicilik sınırlar çok düşüktür. Bu çalışmada, yeni nanopillar tabanlı SRR MMs, yer değiştirme akımı kullanılarak, etrafında geleneksel ince film tabanlı MMS daha 45 kat daha yüksektir 450 kadar Q-faktörü, geliştirmek için tasarlanmıştır. Geliştirilmiş S-faktörü ile birlikte, nanopillar bazlı MMs geleneksel olarak elde edilen kayma ile karşılaştırıldığında daha geniş bir frekans kaymaları (17 kez sebepal ince film tabanlı MMS). Çünkü önemli ölçüde geliştirilmiş Q-faktörler ve frekans kaymaları yanı sıra biyouyumlu radyasyon özelliği, THz nanopillar tabanlı SRR Biyomalzemelere hasar veya bozulma neden olmadan yüksek hassasiyet ve seçicilik ile biyomoleküler sensörlerin geliştirilmesi için ideal MMs bulunmaktadır. Bir roman üretim süreci değiştirme akımı aracılı THz MMS nanopillar tabanlı SRR'larının inşa etmek kanıtlanmıştır. İki safhalı altın (Au), elektro süreci ve bir atom, tabaka (ALD) işlemi Au nanopillars arasında alt 10 mil çaplı boşlukları oluşturmak için kullanılır. ALD işlemi konformal kaplama işlemi, (Al 2 O 3) nanometre ölçekli kalınlığında bir katman elde edilebilir tek tip, alüminyum oksit olduğu. Sırayla Al 2 O 3 ve Au, yakın bir dolu Au-Al nano ölçekli 2 O 3 -Au yapısı arasındaki boşlukları doldurmak için başka Au ince film elektroliz yoluyla Al 2 O 3 boşluklar olabilirfabrikasyon. Nano-boşlukların boyutu de tam olarak 0.1 nm'lik bir doğruluğa sahiptir ALD işlemi, depozisyon döngüsü kontrol edilerek tanımlanabilir.
Introduction
Terahertz (THz) meta malzeme (MMS) biyomedikal sensörler ve frekans açısından hızlı cihazları 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 geliştirilmiştir. THz MM sensörlerin hassasiyeti ve frekans seçiciliği artırmak için, bir nanopillar tabanlı bölünmüş halka rezonatör (SRR) (ultra yüksek kaliteli faktörler ile THz rezonansa heyecanlandırmak için nanopillar dizileri altın (Au) içinde oluşturulan değiştirme akımı kullanılarak dizayn edilmiştir Q-faktörler) (~ 450) (Şekil 1) 12. nanopillar tabanlı SRR'ler yüksek Q-faktörleri ve gelecek vaat eden algılama yeteneklerini, bu tür nanostructur imalatını göstermek olsa dageniş bir alanda yüksek boy oranları (40'dan fazla) ve nano ölçekli boşluklar (alt 10 nm) ile es zorlu 13 kalır.
Nano-ölçekli yapıların imal etmek en yaygın olarak kullanılan teknik elektron ışını litografi (EBL) 14, 15, 16, 17 olduğunu. Ancak, EBL çözünürlüğü nedeniyle hala ışın spot büyüklüğü, elektron saçılması, karşı özellikleri ve gelişim süreci 18, 19 ile sınırlıdır. Buna ek olarak, bağlı yavaş bir süreç zaman geniş bir alan üzerinde EBL kullanılarak nano imal etmek pratik değildir ve büyük işlem 20 dir. Nano elde etmek için başka bir strateji, bir kendi kendine montaj tekniği 21, 22 kullanmaktır. bir çözelti ve util kendinden montaj metal nanocubes (NCS) ileelektrostatik etkileşim ve NC'ler arasındaki polimer ligandların ilişki izing, nano ölçekli boşlukları ile iyi organize tek boyutlu NC dizisi 23 elde edilebilir. Nano boşluk boyutu NC'ler arasında bir polimer ligandlara bağlıdır ve farklı molekül ağırlıkları 24, 25, 26 sahip olan farklı polimer malzeme uygulanarak kontrol edilebilir. Self-montaj ölçeklenebilir ve maliyet-etkin nano 23 ulaşmak için güçlü bir tekniktir. Bununla birlikte, imalat işlemi geleneksel mikro ve nano üretim işlemleri ile karşılaştırıldığında daha karmaşıktır, ve nano-boşluk boyutlarının kontrol elektronik cihaz uygulamaları için yeterince kesin değildir. başarıyla nanopillar tabanlı SRR'larının imal etmek amacıyla, yeni bir üretim yöntemi aşağıdaki hedeflere ulaşmak için icat edilmelidir: i) üretim süreci uygulamak kolaydır ve kongre ile uyumludurEl mikro ve nano fabrikasyon süreçleri; ii) geniş bir alana fabrikasyon uygulanabilir; iii) nano boşluk boyutları kolayca ve tam olarak 0.1 nm çözünürlükte ile kontrol edilebilir ve 10 nm ya da daha düşük küçültülmüş olabilir.
Bir yeni bir üretim yöntemi nanopillar tabanlı SRR'larının imal etmek, bir elektro işleminin bir kombinasyonu ve bir atomik, tabaka (ALD) işlemi kullanılarak gösterilmiştir. galvanik düşük maliyet ile kendi kendini dolum işlemi olduğundan, geniş bir alana yapıları imal etmek kolaydır. ALD tam işlem sırasında, reaksiyon döngüsü ile kontrol edilebilir bir kimyasal buhar biriktirme (CVD) işlemidir. ALD ince film çözünürlüğü 0.1 nm olabilir, ve ince film homojen, nano ölçekli boşluklar 27, 28 oluşturmak için uygun olan bir yüksek kaliteli, kaplanır. 10 mil boşluklar ya da daha az olan Nanopillar bazlı SRR dizi başarılı 6 mm x 6 mm bir alan üzerinde imal edilebilir. Hem simulated ve ölçülen THz iletim spektrumu değiştirme akımı aracılığı nanopillar tabanlı SRR'ların fizibilitesini kanıtlamaktadır, Q-faktörler ve geniş frekans kaymaları ultra-yüksek olan rezonans davranışlar gösterir. Ayrıntılı fabrikasyon süreci protokol bölümünde aşağıda tarif edilir ve video protokol uygulayıcıları fabrikasyon süreci anlamak ve nanopillar tabanlı SRR'ların imalat ile ilişkili yaygın hatalardan kaçınmak için yardımcı olabilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu imalat tekniği, örneğin E-ışın demeti litografi ve kendi montaj gibi mevcut yöntemlere göre, nano ölçekli yapıları oluşturmak için önemli avantajları vardır. İlk olarak, nano-ölçekli yapılar E-ışın litografi süreci ile pratik değildir nanopillar dizileri, özellikleri bir photomask kullanarak geniş bir alana (tüm gofret) üzerinden gerçekleştirilebilir. İkinci olarak, üretim süreci E-ışın litografi ile karşılaştırıldığında, çok daha hızlı basit ve ucuz bir geleneksel gof…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu malzeme Minnesota, Twin Cities Üniversitesi'nde bir start-up fonu tarafından desteklenen çalışma dayanmaktadır. Bu çalışmanın parçaları Karakterizasyonu Tesisi, Minnesota, MRSEC programı üzerinden NSF tarafından finanse edilen malzemeler Araştırma Olanakları Ağı (www.mrfn.org) üyesi Üniversitesi'nde gerçekleştirildi. Bu çalışmanın bir kısmı da NNCI programı aracılığıyla NSF kısmi destek almaktadır Minnesota Nano Merkezi'nde gerçekleştirildi.
Materials
| Silicon Wafer | Siltronic AG | N/A | 100mm 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 degree 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 |
References
- Xu, X., et al. Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing. Nano Lett. 11 (8), 3232-3238 (2011).
- Singh, R., Cao, W., Al-Naib, I., Cong, L., Withayachumnankul, W., Zhang, W. Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces. Appl. Phys. Lett. 105 (17), 171101 (2014).
- Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
- Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
- Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
- Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
- Melik, R., Unal, E., Perkgoz, N. K., Puttlitz, C., Demir, H. V. Flexible metamaterials for wireless strain sensing. Appl. Phys. Lett. 95 (18), 181105 (2009).
- Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
- Chiam, S., Singh, R., Gu, J., Han, J., Zhang, W., Bettiol, A. A. Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators. Appl. Phys. Lett. 94 (6), 064102 (2009).
- Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
- Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
- Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
- Huang, M., Zhao, F., Cheng, Y., Xu, N., Xu, Z. Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation. Opt. Express. 16 (23), 19354-19365 (2008).
- Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
- Isaacson, M., Muray, A. Insitu vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. J. Vac. Sci. Technol. 19 (4), 1117-1120 (1981).
- Yang, J. K., et al. Understanding of hydrogen silsesquioxane electron resist for sub-5-nm-half-pitch lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2622-2627 (2009).
- Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
- Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
- Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
- Kitching, H., Shiers, M. J., Kenyon, A. J., Parkin, I. P. Self-assembly of metallic nanoparticles into one dimensional arrays. J. Mater. Chem. A. 1 (24), 6985-6999 (2013).
- Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
- Caswell, K., Wilson, J. N., Bunz, U. H., Murphy, C. J. Preferential end-to-end assembly of gold nanorods by biotin-streptavidin connectors. J. Am. Chem. Soc. 125 (46), 13914-13915 (2003).
- Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
- Nie, Z., Fava, D., Kumacheva, E., Zou, S., Walker, G. C., Rubinstein, M. Self-assembly of metal-polymer analogues of amphiphilic triblock copolymers. Nat. Mater. 6 (8), 609-614 (2007).
- Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
- Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).
