테라 헤르츠 메타 물질의 변위 현재 중재 공명은을위한 나노 기둥 기반 분할 링 공진기의 제작

이 프로토콜은 금 전기도금 및 원자층 증착 방법을 사용하여 나노 크기 갭을 가진 새로운 나노필러 기반 분할 고리 공진기 메타 물질을 생성합니다. 제작된 각 분할 링 공진기는 수천 개의 금 나노기둥으로 구성되며 테라헤르츠 공진을 여기시키는 이들 사이의 나노갭을 가로지르는 변위 전류에 의해 구동됩니다. 변위 전류의 크기는 나노 갭의 크기에 비례합니다.

나노 갭의 크기는 원자층 증착 과정의 주기를 변경하여 조정할 수 있으며, 이는 공진 주파수와 진폭에 변화를 가져옵니다. 약 450의 향상된 품질 계수를 달성할 수 있으며, 이는 박막 분할 링 공진기로 달성할 수 있는 품질 계수 11보다 40배 더 높습니다. 박막 기반 공진기보다 17배 더 큰 주파수 편이도 관찰할 수 있습니다.

시뮬레이션된 투과 스펙트럼 모두 나노필러 기반 메타 물질이 고감도 센서 및 주파수에 민감한 테라헤르츠 장치에 이상적인 후보임을 보여줍니다. 주사 전자 현미경 복사의 분석 결과는 제작된 나노기둥 기반 분할 고리 공진기, 인접한 두 개의 금 나노기둥 및 이들 사이의 10나노미터 산화알루미늄 갭을 보여줍니다. 나노 기둥 기반 분할 공진기에는 금 나노 기둥과 10 나노 미터 산화 알루미늄 갭이 포함되어 있습니다.

이 구조는 변위 전류를 통해 유도 및 용량성 공진을 여기시킵니다. 그들은 그것에 더 많은 에너지를 제공하고, 이를 향한 에너지를 고품질 계수로 강화하고, 큰 주파수 이동을 제공합니다. 높은 Q 값과 큰 주파수 이동으로 인해 나노필러 기반 분할 공진기는 생물 의학 및 화학 센서, 주파수 튜닝 장치를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.

전자빔 리소그래피 및 자체 조립과 같은 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 이 방법이 순차적 전기 복제 공정과 원자층 증착을 결합하여 기존의 미세 가공 공정만으로 넓은 면적에 걸쳐 나노 규모 구조를 실현한다는 것입니다. 제작 공정은 전자빔 리소그래피 및 자체 조립에 비해 훨씬 빠르고 간단합니다. 높은 종횡비의 나노 구조는 정밀하게 제어된 피처 크기로 쉽게 만들 수 있습니다.

먼저, 평평한 기판 상에 증착 및 접착 촉진제층과 종자층을 증착합니다. 그런 다음 포토리소그래피와 전기도금을 사용하여 나노기둥을 패턴화합니다. 원자층 증착을 사용하여 전체 구조에 나노 크기의 유전체 층을 균일하게 코팅합니다.

그런 다음 두 번째 접착 촉진제층과 시드층이 증착된 후 전기도금 증착이 수행됩니다. 마지막으로, 포토리소그래피와 이온 밀링을 사용하여 나노필러와 유전체 나노갭을 부분적으로 에칭하여 C자형 분할 링 공진기를 만듭니다. 그런 다음 초음파 수조에서 아세톤을 사용하여 포토 레지스트를 제거합니다.

4인치 고저항 실리콘 웨이퍼로 기판 준비를 시작합니다. 실리콘 웨이퍼를 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수로 세척합니다. 그런 다음 질소 가스로 건조시킵니다.

전자빔 증발기를 사용하여 5나노미터 크롬 접착 촉진층과 10나노미터 구리 시드층을 증착합니다. 웨이퍼를 2cm x 2.5cm 크기로 자릅니다. 그런 다음 2, 000RPM에서 60초 동안 S1813 포토레지스트의 2마이크로미터 층을 스핀 코팅합니다.

기판을 섭씨 115도에서 60초 동안 굽습니다. 이제 자외선을 제곱센티미터당 약 15밀리와트의 마스크 정렬기를 사용하여 22초 동안 포토레지스트를 나노필러 마스크에 노출시킵니다. 나노필러 마스크는 5mm x 5mm 나노필러 어레이를 특징으로 합니다.

MF-319 현상액에서 90초 동안 교반하면서 포토레지스트를 현상합니다. 샘플을 탈이온수로 헹구고 질소 가스로 건조시킵니다. 전극 연결을 위해 구리 시드 층을 노출시키기 위해 아세톤을 사용하여 기판에서 포토 레지스트의 상단 부분을 제거합니다.

그런 다음 샘플을 금 전기도금 용액에 담그고 약 8분 동안 800나노미터의 금 층을 전기도금합니다. 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다. 탈이온수로 헹구고 질소 가스로 건조시킵니다.

샘플을 크롬 에칭액에 10초 동안 담근 다음 구리 에칭액을 10초 동안 수행하여 샘플 표면의 크롬 및 구리 층을 제거합니다. 이제 원자층 증착을 사용하여 샘플을 10나노미터 산화알루미늄 층으로 균일하게 코팅합니다. 전자빔 증발기를 사용하여 10나노미터 알루미늄 산화물 층 위에 두 번째 5나노미터 크롬 접착 촉진층과 두 번째 10나노미터 구리 시드층을 증착합니다.

샘플을 금 전기도금 용액에 16분 동안 담그고 기판에 400나노미터 금 필름을 전기도금합니다. 2, 000 RPM에서 60초 동안 S1813 포토레지스트의 2마이크로미터 층을 스핀 코팅합니다. 기판을 섭씨 115도에서 60초 동안 굽습니다.

약 15cm/cm의 자외선이 있는 마스크 정렬기를 사용하여 22초 동안 포토레지스트를 C자형 분할 링 공진기 마스크에 노출시킵니다. MF-319 현상액에서 90초 동안 현상합니다. 약 30분 동안 이온 밀 시스템을 사용하여 포토레지스트 패턴 외부의 구조를 에칭합니다.

초음파 수조에서 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거한 다음 샘플을 아세톤, 이소프로필 알코올 및 탈이온수로 헹군 다음 질소 가스로 건조시킵니다. 또는 공기 나노 갭을 선호하는 경우 샘플을 5 % 불화 수소 용액에 5 분 동안 담궈 산화 알루미늄을 제거합니다. 광학 현미경으로 나노필러 기반 분할 링 공진기를 검사합니다.

광학 이미징은 실리콘 기판에 2개의 5mm x 5mm 나노필러 기반 분할 링 공진기 어레이를 보여줍니다. 확대된 광학 현미경 이미지는 C자형 나노필러 기반 분할 링 공진기 어레이를 보여줍니다. 금 나노필러와 산화알루미늄 나노갭은 단일 분할 고리 공진기의 확대된 이미지에서 관찰할 수 있습니다.

주사 전자 현미경의 분석 결과는 또한 제작된 나노기둥 기반 분할 고리 공진기, 두 개의 인접한 금 나노기둥 및 이들 사이의 산화알루미늄 갭을 보여주었습니다. 5나노미터 산화알루미늄 갭과 10나노미터 산화알루미늄 갭은 모두 산화알루미늄 원자층 증착 공정의 주기를 제어하여 쉽게 제작할 수 있습니다. 이러한 결과는 이 제조 공정이 대규모 기판에 수천 개의 나노필러 기반 분할 고리 공진기를 생산할 수 있음을 보여줍니다.

이 공정은 나노 갭의 크기를 정밀하게 제어 할 수 있으며 전자빔 리소그래피 및 자체 조립에 비해 높은 종횡비 나노 구조를 쉽게 생산할 수 있습니다. 나노기둥 기반 분할 링 공진기에는 수천 개의 금 나노기둥과 나노스케일 갭이 포함되어 있습니다. 나노필러 기반 분할 링 공진기의 공진 주파수와 진폭은 나노갭의 크기를 변경하여 쉽게 조정할 수 있으므로 생체 의학 센서 및 주파수 민첩한 장치를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.

이 비디오를 시청한 후에는 금 나노기둥 사이에 산화알루미늄 나노스케일 갭을 생성하기 위해 2단계 금 전기도금 및 해부학적 층 증착 공정을 사용하여 금 나노기둥 기반 분할 고리 공진기를 만드는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다. 공정의 작동 원리를 이해하고 공정에 사용되는 각 재료에 적합한 재료와 두께를 선택하는 것이 중요합니다.