המצאה של מהודי טבעת פיצול Nanopillar מבוסס על התזוזה נוכחית מתווכת רזוננסים ב Metamaterials Terahertz

פרוטוקול זה משתמש בשיטות של ציפוי חשמלי בזהב ושיקוע שכבות אטומיות ליצירת חומרי מטא של רזונטורי טבעות חצויות מבוססי ננו-עמודים עם מרווחים בקנה מידה ננומטרי. כל רזונטור טבעת חצוי המיוצר מורכב מאלפי ננו-עמודים של זהב ומופעל על ידי זרם דחיקה לאורך הננו-מרווחים ביניהם, המעורר תהודות בתדר טרה-הרץ. עוצמתו של זרם הדחיקה פרופורציונלית לגודל הננו-מרווחים.

ניתן לכוונן את גודל הננו-מרווחים (nanogaps) על ידי שינוי מספר המחזורים של תהליך שיקוע השכבות האטומיות, דבר הגורם לשינויים בתדרי התהודה ובאמפליטודה. ניתן להשיג מקדם איכות משופר של כ-450, הגבוה פי 40 ממקדם האיכות של 11 שניתן להשיג באמצעות רזונטורי טבעות חצויות (split ring resonators) משכבה דקה. כמו כן, ניתן להבחין בהסטת תדר הגדולה פי 17 מזו של רזונטורים המבוססים על שכבה דקה.

ספקטרומי התמסורות, הן המדודים והן המסומולצים, מדגימים כי חומרי-מטא המבוססים על ננו-עמודים הם מועמדים אידיאליים לחיישנים בעלי רגישות גבוהה ולהתקני טרה-הרץ בעלי גמישות תדרית. תוצאות אנליטיות ממיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת מראות את הרזונטור של טבעת חצויה המבוסס על ננו-עמודים שיוצר, שני ננו-עמודים סמוכים מזהב, וכן את המרווחים של 10 nanometer של אלומיניום אוקסיד ביניהם. רזונטורים חצויים המבוססים על ננו-עמודים מכילים ננו-עמודים מזהב ומרווח של 10 nanometer של אלומיניום אוקסיד.

מבנה זה מעורר תהודה השראית וקיבולית באמצעות זרם דחיפה. הם מספקים לו אנרגיות רבות יותר, מגבירים את האנרגיות כלפי אלה כדי להגיע למקדם איכות גבוה, והסטת תדר גדולה. בשל ערך ה-Q הגבוה והסטת התדר הגדולה, רזונטורים מפוצלים מבוססי ננו-עמודים מתאימים למגוון יישומים, כולל חיישנים ביו-רפואיים וכימיים, ומכשירי כוונון תדר.

היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטות קיימות, כגון ליתוגרפיית אלומה אלקטרונית והרכבה עצמית, הוא ששיטה זו משלבת תהליך ציפוי אלקטרוליטי רצפי והשקעה של שכבות אטומיות (atomic layer deposition) כדי להגשים מבנים בננו-קנה מידה על פני שטח גדול, תוך שימוש בתהליכי מיקרו-פבריקציה קונבנציונליים בלבד. תהליך הייצור מהיר ופשוט הרבה יותר בהשוואה לליתוגרפיית אלומה אלקטרונית ולהרכבה עצמית. ניתן ליצור בקלות ננו-מבנים בעלי יחס היבט גבוה עם גדלי מאפיינים מבוקרים במדויק.

ראשית, שקיעו שכבת מקדם היצמדות ושכבת זרע על תשתית שטוחה. לאחר מכן, צרו תבנית של הננו-עמודים באמצעות פוטוליתוגרפיה ואלקטרו-ציפוי. צפו את המבנה כולו באופן אחיד בשכבת דיאלקטרי ננו-מטרית, באמצעות שיטת בוררויות שכבות אטומיות (atomic layer deposition).

לאחר מכן שוקעים שכבת מקדם היצמדות שנייה ושכבת זרע, ולאחריהן שיקוע באמצעות ציפוי אלקטרוליטי. לבסוף, יוצרים רזונטור טבעת-מפוצלת בצורת C על ידי תעיית חלקית של הננו-עמודים והמרווחים הננו-דיאלקטריים, באמצעות פוטוליתוגרפיה וכרסום יוני (ion milling). לאחר מכן, מסירים את הפוטו-רזיסט באמצעות אצטון באמבט אולטרסוניקציה.

התחילו את הכנת התשתית עם פרוסת סיליקון בעלת התנגדות גבוהה ובגובה של ארבעה אינצ'ים. נקו את פרוסת הסיליקון באמצעות אצטון, איזופרופנול ומים דה-יוניים. לאחר מכן, ייבשו בנשיפת גז חנקן.

השתמש במאדה באלומה אלקטרונית כדי לשקיע שכבת קידום היצמדות של כרום בעובי חמישה ננומטר ושכבת זרע של נחושת בעובי 10 ננומטר. חתוך את הפרוסה לחלקים בגודל שני סנטימטר על 2.5 סנטימטר. לאחר מכן, בצע ציפוי ספין (spin coat) של שכבה בעובי שני מיקרומטר של S1813 Photoresist, במהירות של 2,000 RPM, למשך 60 שניות.

חממו את המצע בטמפרטורה של 115 °C למשך 60 שניות. כעת, חשפו את הפוטו-רזיסט למסכת הננו-עמודים באמצעות מכשיר יישור מסכות (mask aligner), בעוצמה של כ-15 mW/cm² של אור ultraviolet, למשך 22 שניות. מסכת הננו-עמודים כוללת מערכי ננו-עמודים של 5 mm על 5 mm.

פתחו את הפוטורזיסט (Photoresist) במפתח MF-319 תוך כדי ערבוב, למשך 90 שניות. שטפו את הדגימה במים דה-יוניים, ולאחר מכן ייבשו אותה על ידי נשיפת גז חנקן. הסירו את השכבה העליונה של הפוטורזיסט מהמצע באמצעות אצטון כדי לחשוף את שכבת הזרע של הנחושת לחיבור האלקטרודה.

לאחר מכן, טבול את הדגימה בתמיסת ציפוי חשמלי בזהב ובצע ציפוי חשמלי של שכבת זהב בעובי 800 nanometer למשך כשמונה דקות. הסר את הפוטורזיסט (Photoresist) באמצעות אצטון. שטוף במים דה-יוניים וייבש בעזרת גז חנקן.

הסר את שכבת הכרום והנחושת מפני השטח של הדגימה על ידי טבילת הדגימה בתמיסת תקיפה לכרום למשך 10 שניות, ולאחר מכן בתמיסת תקיפה לנחושת למשך 10 שניות. כעת, צפה את הדגימה באופן אחיד בשכבת אלומינה (aluminum oxide) בעובי של 10 nanometer באמצעות שיטת Atomic Layer Deposition. השתמש במאדה באלומה אלקטרונית (electron beam evaporator) כדי להשקיע שכבה שנייה של מקדם הידבקות של כרום בעובי של 5 nanometer, וכן שכבת זרע (seed layer) שנייה של נחושת בעובי של 10 nanometer, מעל שכבת האלומינה בעובי 10 nanometer.

טבול את הדגימה בתמיסת ציפוי חשמלי של זהב למשך 16 דקות, כדי לצפות את התשתית בשכבת זהב בעובי 400 nanometer באמצעות ציפוי חשמלי. בצע ציפוי ספין (Spin coat) של שכבה בעובי two micrometer של Photoresist S1813 במהירות של 2,000 RPM למשך 60 שניות. חמם את התשתית בטמפרטורה של 115 degrees celsius למשך 60 שניות.

חשפו את הפוטורזיסט (Photoresist) למסכת רזונטור טבעת-מפוצלת בצורת C באמצעות מכשיר יישור מסכות (mask aligner) בעוצמת אור UV של כ-15 milliwatts per centimeter squared, למשך 22 שניות. פתחו במפתח MF-319 למשך 90 שניות. חרצו את המבנים שמחוץ לתבנית הפוטורזיסט באמצעות מערכת ion mill למשך כ-30 דקות.

הסר את הפוטורזיסט באמצעות אצטון באמבט אולטרסוניקציה, לאחר מכן שטוף את הדגימה באצטון, איסופרופיל אלכוהול ומים דאיוניים, וייבש באמצעות נשיפת גז חנקן. לחלופין, אם מועדפים ננו-מרווחים של אוויר, טבול את הדגימה בתמיסת hydrogen fluoride בריכוז 5% למשך חמש דקות, כדי להסיר את תחמוצת האלומיניום. בחן את רזונטורי הטבעות המפוצלות (split ring resonators) מבוססי הננו-עמודים תחת מיקרוסקופ אופטי.

דימות אופטי מראה שני מערכים של מהודים בעלי טבעת מפוצלת המבוססים על ננו-עמודים, בגודל של 5 מילימטר על 5 מילימטר, על מצע סיליקון. תמונת המיקרוסקופ האופטי המוגדלת מראה את מערכי המהודים בעלי הטבעת המפוצלת המבוססים על ננו-עמודים בצורת C. ניתן להבחין בננו-עמוד זהב ובמרווחים ננומטריים של אלומיניום אוקסיד בתמונה המוגדלת של מהוד בעל טבעת מפוצלת בודד.

תוצאות אנליטיות ממיקרוסקופ אלקטרונים סורק הראו גם את רזונטור טבעות חצויות מבוסס ננו-עמודים שיוצר, שני ננו-עמודים סמוכים מזהב, וכן מרווחי אלומינום אוקסיד ביניהם. ניתן לייצר בקלות הן מרווחי אלומינום אוקסיד של 5 nm והן מרווחי אלומינום אוקסיד של 10 nm על ידי בקרת מחזורי תהליך השקיעה בשכבות אטומיות של אלומינום אוקסיד. תוצאות אלו מראות כי תהליך ייצור זה יכול להפיק אלפי רזונטורי טבעות חצויות מבוססי ננו-עמודים על מצע רחב היקף.

התהליך מאפשר שליטה מדויקת בגודל הננו-מרווחים, ויכול לייצר בקלות ננו-מבנים בעלי יחס גובה-רוחב גבוה, בהשוואה לליתוגרפיית קרן אלקטרונים ולהרכבה עצמית. רזונטורי טבעת חצובה המבוססים על ננו-עמודים מכילים אלפי ננו-עמודים של זהב ומרווחים בקנה מידה ננומטרי. ניתן לכוונן בקלות את תדרי התהודה ואת האמפליטודות של רזונטורי טבעת חצובה המבוססים על ננו-עמודים על ידי שינוי גודל הננו-מרווחים, מה שהופך אותם למתאימים ליישומים שונים, כולל חיישנים ביו-רפואיים ומכשירים בעלי גמישות תדר.

לאחר צפייה בסרטון זה, תרכישו הבנה טובה לגבי אופן הייצור של מהודים עם טבעות חצויות (split ring resonators) המבוססים על ננו-עמודי זהב, תוך שימוש בתהליך דו-שלבי של ציפוי זהב אלקטרוליטי ובשיטת מראת שכבה אטומית (atomic layer deposition) ליצירת מרווחים ננומטריים של אלומיניום אוקסיד בין ננו-עמודי הזהב. חשוב להבין את עקרון הפעולה של התהליך ולבחור את החומרים הנכונים ואת העוביים המתאימים עבור כל חומר המשמש בתהליך.