Fabbricazione di Nanopillar-Based Split Ring risonatori di corrente di spostamento mediata Risonanze a Terahertz metamateriali

Questo protocollo utilizza metodi di elettrodeposizione dell'oro e di deposizione in strati atomici per creare nuovi metamateriali a risonatore ad anello diviso basati su nanopilastri, con lacune su scala nanometrica. Ogni risonatore ad anello diviso realizzato è composto da migliaia di nanopilastri d'oro ed è azionato da una corrente di spostamento attraverso le nanolacune tra di essi, la quale eccita risonanze terahertz. L'entità della corrente di spostamento è proporzionale alle dimensioni delle nanolacune.

La dimensione dei nanointervalli può essere regolata modificando i cicli del processo di deposizione con strato atomico, il che determina variazioni nelle frequenze di risonanza e nell'ampiezza. È possibile ottenere un fattore di qualità migliorato di circa 450, che è 40 volte superiore al fattore di qualità di 11 ottenibile con risonatori a anello diviso basati su film sottile. Si può inoltre osservare uno spostamento di frequenza 17 volte maggiore rispetto a quello dei risonatori basati su film sottile.

Sia gli spettri di trasmissione simulati che quelli misurati dimostrano che i metamateriali basati su nanopilastri sono candidati ideali per sensori ad alta sensibilità e dispositivi terahertz con frequenza agile. I risultati analitici ottenuti mediante microscopia elettronica a scansione mostrano il risonatore ad anello diviso basato su nanopilastri realizzato, due nanopilastri in oro adiacenti, nonché i gap in ossido di alluminio di 10 nanometri tra di essi. I risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri contengono nanopilastri in oro e un gap in ossido di alluminio di 10 nanometri.

Questa struttura eccita risonanze induttive e capacitive tramite corrente di spostamento. Forniscono maggiore energia ad essa, potenziando l'energia verso un elevato fattore di qualità e un ampio spostamento di frequenza. Grazie al valore elevato di Q e all'ampio spostamento di frequenza, il risonatore diviso basato su nanopilastri è adatto a diverse applicazioni, tra cui sensori biomedici e chimici, e dispositivi per la sintonizzazione della frequenza.

Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti, come la litografia con fascio di elettroni e l'autoassemblaggio, è che questo metodo combina un processo sequenziale di elettrodeposizione e la deposizione di strati atomici per realizzare strutture su scala nanometrica su un'ampia area, utilizzando esclusivamente un processo convenzionale di microfabbricazione. Il processo di fabbricazione è molto più rapido e semplice rispetto alla litografia con fascio di elettroni e all'autoassemblaggio. Strutture nano con elevato rapporto di aspetto possono essere facilmente create con dimensioni delle caratteristiche controllate con precisione.

Prima, depositare uno strato promotore di adesione e uno strato seme su un substrato piatto. Successivamente, definire la geometria delle nanopilastre mediante litografia a fotoni ed elettrodeposizione. Rivestire uniformemente l'intera struttura con uno strato dielettrico su scala nanometrica, utilizzando la deposizione mediante strati atomici.

Viene quindi depositato un secondo strato promotore di adesione e uno strato seme, seguito da una deposizione mediante elettrodeposizione. Infine, si crea un risonatore ad anello diviso di forma C rimuovendo parzialmente i nanopilastri e i nanointervalli dielettrici mediante fotolitografia e fresatura ionica. Successivamente, si rimuove la resist usando acetone in un bagno ad ultrasuoni.

Iniziare la preparazione del substrato con una piastrina di silicio di quattro pollici ad alta resistività. Pulire la piastrina di silicio con acetone, alcol isopropilico e acqua deionizzata. Successivamente, asciugare con gas azoto.

Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare uno strato promotore di adesione di cromo di cinque nanometri e uno strato seme di rame di 10 nanometri. Tagliare la wafer in pezzi di due centimetri per 2,5 centimetri. Successivamente, applicare per spin coating uno strato di due micrometri di photoresist S1813 a 2.000 giri al minuto per 60 secondi.

Scaldare il substrato a 115 gradi Celsius per 60 secondi. A questo punto, esporre il fotoresist alla maschera di nanopilastri utilizzando un allineatore di maschere, con circa 15 milliwatt per centimetro quadrato di luce ultravioletta, per 22 secondi. La maschera di nanopilastri presenta array di nanopilastri di cinque millimetri per cinque millimetri.

Sviluppare il fotoresist nel rivelatore MF-319 con agitazione, per 90 secondi. Risciacquare il campione con acqua deionizzata, quindi asciugarlo con gas azoto. Rimuovere la sezione superiore del fotoresist sul substrato utilizzando acetone per esporre lo strato seme di rame per il collegamento dell'elettrodo.

Quindi, immergere il campione nella soluzione di elettrodeposizione dell'oro ed elettrodepositare uno strato d'oro di 800 nanometri per circa otto minuti. Rimuovere il fotoresistente utilizzando acetone. Risciacquare con acqua deionizzata e asciugare con gas azoto.

Rimuovere lo strato di cromo e rame sulla superficie del campione immergendo il campione nell'incisione per cromo per 10 secondi, seguito dall'incisione per rame per 10 secondi. Rivestire ora uniformemente il campione con uno strato di ossido di alluminio di 10 nanometri utilizzando la deposizione in strati atomici. Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare un secondo strato promozionale di adesione di cromo di cinque nanometri, nonché un secondo strato seme di rame di 10 nanometri, sopra lo strato di ossido di alluminio di 10 nanometri.

Immergere il campione nella soluzione per elettrodeposizione dell'oro per 16 minuti, al fine di elettrodepositare un film d'oro di 400 nanometri sul substrato. Applicare uno strato di 2 micrometri di fotoresist S1813 mediante spin coating a 2.000 giri al minuto per 60 secondi. Cuocere il substrato a 115 gradi Celsius per 60 secondi.

Esporre il fotoresist alla maschera del risonatore ad anello diviso di forma C utilizzando un allineatore di maschere con una luce UV di circa 15 milliwatt per centimetro quadrato per 22 secondi. Sviluppare nel revelatore MF-319 per 90 secondi. Incidere le strutture esterne al pattern del fotoresist utilizzando un sistema di incisione a ioni per circa 30 minuti.

Rimuovere il photoresist utilizzando acetone in un bagno ad ultrasuoni, quindi risciacquare il campione con acetone, alcol isopropilico e acqua deionizzata, ed essiccare con gas azoto. In alternativa, se si preferiscono nanointerstizi d'aria, immergere il campione in una soluzione al 5% di acido fluoridrico per cinque minuti, per rimuovere l'ossido di alluminio. Ispezionare i risonatori a anello diviso basati su nanopilastri mediante microscopio ottico.

L'immagine ottica mostra due array di risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri, ciascuno di cinque millimetri per cinque millimetri, su un substrato di silicone. L'immagine ingrandita al microscopio ottico mostra gli array di risonatori ad anello diviso a forma di C basati su nanopilastri. Nel dettaglio ingrandito di un singolo risonatore ad anello diviso è possibile osservare nanopilastri d'oro e nanointervalli di ossido di alluminio.

I risultati analitici ottenuti mediante microscopia elettronica a scansione hanno inoltre mostrato il risonatore ad anello diviso basato su nanopilastri realizzato, costituito da due nanopilastri in oro adiacenti, nonché da interstizi in ossido di alluminio tra di essi. Sia gli interstizi di ossido di alluminio di cinque nanometri sia quelli di dieci nanometri possono essere facilmente realizzati controllando il numero di cicli del processo di deposizione atomica in strati di ossido di alluminio. Questi risultati dimostrano che questo processo di fabbricazione può produrre migliaia di risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri su un substrato su larga scala.

Il processo consente un controllo preciso delle dimensioni dei nanointervalli e può produrre facilmente nanostrutture con elevato rapporto di aspetto, rispetto alla litografia con fascio di elettroni e all'autoassemblaggio. I risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri contengono migliaia di nanopilastri d'oro e intervalli su scala nanometrica. Le frequenze e le ampiezze di risonanza dei risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri possono essere facilmente sintonizzate modificando le dimensioni dei nanointervalli, rendendoli adatti a diverse applicazioni, tra cui sensori biomedici e dispositivi con frequenza agile.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare risonatori a anello diviso basati su nanopilastri d'oro utilizzando un processo di elettroplaccatura in due fasi e di deposizione atomica per creare intervalli nanometrici in ossido di alluminio tra i nanopilastri d'oro. È importante comprendere il principio di funzionamento del processo e scegliere i materiali e gli spessori corretti per ciascun materiale utilizzato nel processo.