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

Questo protocollo utilizza la galvanica dell'oro e i metodi di deposizione di strati atomici per creare nuovi metamateriali risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri con lacune su scala nanometrica. Ogni risonatore ad anello diviso fabbricato è costituito da migliaia di nanopilastri d'oro ed è guidato dalla corrente di spostamento attraverso i nanogap tra di loro che eccita le risonanze terahertz. L'entità della corrente di spostamento è proporzionale alla dimensione dei nanogap.

La dimensione dei nanogap può essere regolata modificando i cicli del processo di deposizione dello strato atomico, il che si traduce in cambiamenti 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 che può essere raggiunto dai risonatori ad anello diviso a film sottile. Si può anche osservare uno spostamento di frequenza 17 volte maggiore di quello dei risonatori a 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 agili in frequenza. I risultati analitici della microscopia elettronica a scansione mostrano il risonatore ad anello diviso basato su nanopilastri fabbricati, due nanopilastri d'oro adiacenti e gli spazi di ossido di alluminio di 10 nanometri tra di loro. I risonatori divisi basati su nanopilastri contengono nanopilastri d'oro e gap di ossido di alluminio di 10 nanometri.

Questa struttura eccita la risonanza induttiva e capacitiva tramite la corrente di spostamento. Forniscono più energie ad esso, migliorano le energie verso questi ad un fattore di alta qualità e un grande cambiamento di frequenza. A causa dell'elevato valore Q e dell'ampio spostamento di frequenza, il risonatore diviso basato su nanopilastri è adatto per varie applicazioni, inclusi sensori biomedici e chimici e dispositivi di sintonizzazione della frequenza.

Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come la litografia a fascio di elettroni e l'autoassemblaggio è che questo metodo combina un processo di elettrolazione sequenziale e la deposizione di strati atomici per realizzare strutture su scala nanometrica su una vasta area, con solo un processo di microfabbricazione convenzionale. Il processo di fabbricazione è molto più veloce e semplice rispetto alla litografia a fascio di elettroni e all'autoassemblaggio. Le nanostrutture ad alto rapporto d'aspetto possono essere facilmente create con dimensioni delle caratteristiche controllate con precisione.

Innanzitutto, depositare e lo strato del promotore di adesione e uno strato di semi su un substrato piatto. Quindi, modellare i nanopilastri utilizzando la fotolitografia e la galvanica. Rivestire uniformemente uno strato dielettrico su scala nanometrica sull'intera struttura, utilizzando la deposizione di strato atomico.

Vengono quindi depositati un secondo strato di promotore di adesione e uno strato di seme, seguiti da una deposizione galvanica. Infine, creare un risonatore ad anello diviso a forma di C incidendo parzialmente i nanopilastri e i nanogap dielettrici, utilizzando la fotolitografia e la macinazione ionica. Quindi, rimuovere il fotoresist utilizzando l'acetone in un bagno ad ultrasuoni.

Iniziare la preparazione del substrato con un wafer di silicone ad alta resistività da quattro pollici. Pulisci il wafer di silicone con acetone, alcol isopropilico e acqua deionizzata. Quindi, asciugare con azoto gassoso.

Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare uno strato di promotore di adesione al cromo a cinque nanometri e uno strato di semi di rame a 10 nanometri. Tagliare la cialda in pezzi di due centimetri per 2,5 centimetri. Quindi, centrifugare uno strato di due micrometri di fotoresist S1813, a 2.000 giri/min, per 60 secondi.

Cuocere il substrato a 115 gradi Celsius per 60 secondi. Ora, esporre il Photoresist alla maschera nanopillar utilizzando un allineatore a maschera, con circa 15 milliwatt per centimetro quadrato di luce ultravioletta, per 22 secondi. La maschera nanopillar è dotata di array di nanopillar da cinque millimetri per cinque millimetri.

Sviluppa il Photoresist nello sviluppatore MF-319 con agitazione, per 90 secondi. Sciacquare il campione con acqua deionizzata, quindi asciugarlo con azoto gassoso. Rimuovere la sezione superiore del fotoresist sul substrato utilizzando l'acetone per esporre lo strato di semi di rame per il collegamento dell'elettrodo.

Quindi, immergere il campione in una soluzione galvanica d'oro e galvanizzare uno strato d'oro a 800 nanometri per circa otto minuti. Rimuovere il Photoresist usando l'acetone. Sciacquare con acqua deionizzata e asciugare con azoto gassoso.

Rimuovere lo strato di cromo e rame sulla superficie del campione immergendo il campione nel mordenzante al cromo per 10 secondi, seguito dal mordenzante al rame per 10 secondi. Ora, rivestire uniformemente il campione con uno strato di ossido di alluminio a 10 nanometri utilizzando la deposizione di strato atomico. Utilizzare un evaporatore a fascio di elettroni per depositare un secondo strato di promotore di adesione al cromo a cinque nanometri, nonché un secondo strato di semi di rame a 10 nanometri, sopra lo strato di ossido di alluminio a 10 nanometri.

Immergere il campione in una soluzione galvanica d'oro per 16 minuti, per galvanizzare un film d'oro a 400 nanometri sul substrato. Centrifugare uno strato di due micrometri di fotoresist S1813 a 2.000 giri/min per 60 secondi. Cuocere il substrato a 115 gradi Celsius per 60 secondi.

Esporre il Photoresist alla maschera di risonanza ad anello diviso a forma di C utilizzando un allineatore a maschera con circa 15 milliwatt per centimetro quadrato di luce UV, per 22 secondi. Sviluppa in MF-319 Developer per 90 secondi. Incidere le strutture al di fuori del modello Photoresist utilizzando un sistema di macinazione ionica per circa 30 minuti.

Rimuovere il Photoresist utilizzando acetone in un bagno a ultrasuoni, quindi sciacquare il campione con acetone, alcol isopropilico e acqua deionizzata, quindi asciugare con azoto gassoso. In alternativa, se si preferiscono i nanogap d'aria, immergere il campione in una soluzione di fluoruro di idrogeno al 5% per cinque minuti, per rimuovere l'ossido di alluminio. Ispezionare i risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri al microscopio ottico.

L'imaging ottico mostra due array di risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri 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 basati su nanopilastri a forma di C. I nanopilastri d'oro e i nanogap di ossido di alluminio possono essere osservati nell'immagine ingrandita di un singolo risonatore ad anello diviso.

I risultati analitici della microscopia elettronica a scansione hanno anche mostrato il risonatore ad anello diviso basato su nanopilastri, due nanopilastri d'oro adiacenti e spazi vuoti di ossido di alluminio tra di loro. Sia gli spazi vuoti di ossido di alluminio di cinque nanometri che gli spazi vuoti di ossido di alluminio di 10 nanometri possono essere facilmente fabbricati controllando i cicli del processo di deposizione dello strato atomico di ossido di alluminio. Questi risultati mostrano 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 sulle dimensioni dei nanogap e può facilmente produrre nanostrutture con un rapporto d'aspetto elevato, rispetto alla litografia a fascio di elettroni e all'autoassemblaggio. I risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri contengono migliaia di nanopilastri d'oro e lacune su scala nanometrica. Le frequenze di risonanza e le ampiezze dei risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri possono essere facilmente regolate modificando le dimensioni dei nanogap, il che li rende adatti a varie applicazioni, tra cui sensori biomedici e dispositivi ad alta frequenza.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come realizzare risonatori ad anello diviso basati su nanopilastri d'oro utilizzando una galvanica d'oro in due fasi e un processo di deposizione di strati anatomici per creare spazi su scala nanometrica di ossido di alluminio tra i nanopilastri d'oro. È importante comprendere il principio di funzionamento del processo e scegliere i materiali e gli spessori giusti per ogni materiale utilizzato nel processo.