Name: 테라 헤르츠 메타 물질의 변위 현재 중재 공명은을위한 나노 기둥 기반 분할 링 공진기의 제작 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: 배우세요 금 전기도금 및 원자층 증착법을 활용한 나노기둥 기반 분할 링 공진기 제작 방법입니다. 나노스케일 간극을 통해 테라헤르츠 공명을 향상시키고 품질계수 450을 달성하는 고감도 센서 개발에 활용됩니다.

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이 자료는 미네소타 트윈 시티 대학의 시작 기금에서 지원하는 작업에 기초한다. 이 작품의 일부는 특성 시설, 미네소타의 MRSEC 프로그램을 통해 NSF 자금 재료 연구 시설 네트워크 (www.mrfn.org)의 회원 대학에서 수행되었다. 이 연구의 일부는 또한 NNCI 프로그램을 통해 NSF에서 일부 지원 받는다 미네소타 나노 센터에서 수행 하였다.

주의 :이 합성에 사용되는 화학 물질의 일부는 가연성, 독성 및 접촉 또는 흡입시 자극 심한 장기 손상의 원인이 될 수 있습니다. 취급시 적절한 개인 보호 장비 (PPE)를 착용하십시오. 첫 금 (Au) 나노 기둥 배열의 레이어 (그림 2a-C와 그림 2E-g) 1. 준비 <ol><li> 금 도금 용 구리 (Cu) 시드 층의 제조 (도 2A, B 및도 2e, F) <ol><li> 4 &quot;높은 저항 실리콘 (Si) 웨이퍼를 사용한다. : - 기판으로서 (560 저항 840 Ω · cm)을 Si를 웨이퍼 N 형 도핑 일측 (도 2a, E)에서 연마된다. </li><li> 나중에 사용하기 위해 2.5 cm 조각 × 2 cm로 Si 웨이퍼를 잘라. </li><li> 는 SI와 구리 사이에 접착층 등의 전자빔 (e-beam) 증착 프로세스를 이용하여 실리콘 시료 (5)에 나노 크롬 (CR) 층을 증착. </li><li> 를 사용하여 기존의 Cr 층 위에 10 nm의 Cu 층을 증착AU의 전기 도금을위한 시드 층과 같은 전자 빔 증착법 (도 2b, F). </li></ol></li><li> 금 나노 기둥 배열을 전기 도금 (그림 2C, g) <ol><li> 나노 기둥 배열을 패터닝 <ol><li> 60 초 동안 2,000 rpm에서 섹션 1.1에서 제조 된 샘플에 코트 포토 레지스트를 스핀. </li><li> 60 초 동안 115 ℃의 핫 플레이트상에서 샘플을 굽는다. </li><li> 22 초 동안 나노 기둥 패턴의 수천을 포함하는 CR 포토 마스크와 자외선 (UV)에서 포토 레지스트 - 빛 (전력 ~ 15 mW의 / cm 2) 노출. </li><li> 교반과 함께 90 초 동안 개발자와 함께 개발한다. </li><li> 탈 (DI) 물 샘플을 헹구고 공기 총을 가진 샘플을 불어 - 건조. </li></ol></li><li> 금 나노 기둥 배열을 전기 도금 <ol><li> 전극 접속 용 구리 시드 층을 노출 아세톤으로 시료의 레지스트의 상부 부분을 제거한다. </li><li> 샘 연결PLE 클램프 및 와이어를 이용하여 소스 미터의 음극 단말 (구리 시드 층). 이 경우, 샘플은 전기 도금 공정 동안 애노드이다. </li><li> (PT) 코팅시 (샘플과 동일한 크기) 소스 미터의 양극 단자에 백금의 조각을 연결합니다. 백금은 전기 도금 공정 중에 음극이다. </li><li> AU의 도금 용액의 캐소드의 Pt 및 Cu 애노드 모두 담근다. ~ 1cm의 거리를두고 서로 대향하는 두 개의 전극 유지. </li><li> 소스 미터를 켜고 8 분의 샘플에 1.12 V. 전기 도금 금의 일정한 전압을 공급 (증착 속도 : ~ 100 ㎚ / 분). </li><li> 포토 레지스트를 제거하기 위해 아세톤 다음 DI 물 샘플을 씻어. </li><li> 다시 DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 현미경 전기 도금 된 금 나노 기둥 배열을 검사합니다. </li><li> 프로파일로 (의 두께를 가진 금 나노 기둥의 두께를 측정금 나노 기둥) ~ 800 ㎚이다. 참고 : 정전류 셋업은 금 나노 기둥을 전기 도금하는 데 사용할 수 있습니다. 두 정전압 정전류 셋업에서, 금 전기 도금에 사용되는 이상적인 전류와 전압은 시행 착오에 의해 달성 될 수있다. </li></ol></li></ol></li></ol> 금 나노 기둥 사이의 나노 갭 2. 창조 (그림 2D, H) <ol><li> CR 및 Cu 층의 제거 <ol><li> 구리 색이 사라질 때까지 구리 식각액의 샘플 잠수함. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 현미경으로 금 나노 기둥을 검사합니다. </li><li> 10 초 동안 CR 마스크 에칭의 샘플 잠수함. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 현미경으로 금 나노 기둥을 검사합니다. </li></ol></li><li> 나노 크기의 산화 알루미늄의 제조 알루미늄 (Al 2 O 3) 틈새 <ol><li> ALD 시스템 참 가열200 ° C에 BER. </li><li> 챔버의 중앙에 시료를 놓는다. </li><li> 진공으로 챔버를 펌프 (100)에 대한 싸이클 횟수 설정 (증착 속도 : 1 ~ Å / 사이클). </li><li> 순차적으로 다르게 균일 샘플 알 2 O 3 층을 증착 챔버 내로 0.015 초의 시간으로 0.015 S와 물 (H 2 O) 증기의 기간과 트리메틸 알루미늄 (TMA) 가스 펄스. 각 펄스 사이의 시간 간격은 5 초입니다. TMA 펄스 동안 챔버 압력은 10 Torr로하고 H 2 O 증기 펄스 동안의 압력은 2 Torr로한다. </li><li> 제거 및 증착의 각 사이클 사이의 챔버를 진공. 보증금 100 사이클 알 2 O 3 챔버에서 샘플을 가져 가라. </li><li> 엘 립소 미터를 사용하여 ALD 알 2 O (3)의 두께를 측정한다. </li></ol></li></ol> Au를 박막의 2 층의 제조 (3) (도 2I -1-도 2m-P) <ol><li> 금 전기 도금 용 구리 시드 층의 제조 (그림 2I, m) <ol><li> 전자 빔 증발기 샘플 홀더의 중심에서 샘플을 놓는다. </li><li> 전자 빔 증발기에서 샘플의 회전을 끕니다. </li><li> 알 2 O 3 및 Cu 사이의 밀착 층의 역할을하도록 샘플 5 내지 CR 층을 증착. 샘플을 회전하지 않고 전자 빔 증착법을 사용한다. </li><li> 금고의 Au 도금을위한 시드 층과 같은 샘플 회전하지 않고 전자 빔 증착 프로세스를 이용하여 기존의 Cr 층 위에 10 nm의 구리. </li></ol></li><li> AU의 박막을 전해 도금 (도 2J, N) <ol><li> 클램프 및 와이어를 이용하여 소스 미터의 음극 단자에 샘플 (구리 시드 층)을 연결한다. 이 경우, 샘플은 전기 도금 공정 동안 애노드이다. </li><li> 소스 미터의 양극 단자 편 음극을 연결한다. </li><li> 백금 음극과 구리 ANOD 모두 잠수함AU의 도금 용액 E. ~ 1cm의 거리를두고 서로 대향하는 두 개의 전극 유지. </li><li> 소스 미터의 전원을 켜고 1.35 V의 일정한 전압을 설정하고 16 분 샘플에 금을 전기 도금. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 전기 도금 된 금과 현미경 이전에 전기 도금 된 금 나노 기둥 배열을 검사합니다. </li><li> 프로파일로하여 금 나노 기둥의 두께를 측정합니다 (금 나노 기둥의 두께 ~ 400 ㎚이다). 주 : 1.2.2 절에서의 Au 도금 마찬가지로, 정전류 셋업은 금 박막을 전기 도금하는데 사용될 수있다. 두 정전압 정전류 셋업에서, 금 전기 도금에 사용되는 이상적인 전류와 전압은 시행 착오에 의해 달성 될 수있다. </li></ol></li><li> CR 및 Cu 층 (그림 2K, O)의 제거 <ol><li> 10 초 동안 구리 식각액의 샘플 잠수함. </li><li> DI 물과 샘플을 씻어D 타격 건조 공기 총을. </li><li> 현미경으로 금 나노 기둥을 검사합니다. </li><li> 10 초 동안 CR 마스크 에칭의 샘플 잠수함. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 현미경으로 금 나노 기둥을 검사합니다. 주 : 또는 CR 및 Cu (단계 3.3)의 제거 후에 제 전해 금 층 위에 Au로의 추가 층을 증착하기 위해 다시 금 도금 용액에서 샘플을 침수. 이러한 추가적인 금 층은 제 금 층의 전체 두께를 증가시키고, 금 층 및 Al2O3의 층 (도 2I, P) 사이의 양호한 접촉을 보장한다. </li></ol></li></ol> C 형 SRR 4. 정의 (그림 2 분기-s와 그림 2U-w) <ol><li> ㄷ자 형의 SRR을 패터닝 (도 2Q, U) <ol><li> 60 초 동안 2,000 rpm으로 코트를 샘플에 포토 레지스트를 스핀. </li><li> 60 초 동안 115 ° C의 핫 플레이트에 샘플을 굽는다. </li><l난&gt; UV 빛에서 포토 레지스트 (22)의위한 CR 포토 마스크와 (~ 15 mW의 / cm 2의 전력) 노출. </li><li> 교반과 함께 90 초 동안 개발자와 함께 개발한다. </li><li> DI 물 샘플을 헹구고 공기 총을 가진 샘플을 불어 - 건조. </li></ol></li><li> C 형 정의 (W,도 2R, V도 2S) 이온 밀을 사용하여 <ol><li> 양면 구리 전도성 테이프를 사용하는 이온 밀 샘플 홀더에 샘플을 연결합니다. </li><li> 6 ° C에 이온 밀 실을 냉각. </li><li> 이온 밀링 300 V의 빔 전압 30 분 ~ 125 mA의 빔 전류를 샘플. </li><li> 샘플을 타고 C 형 외부의 금 나노 기둥을 검사합니다. </li><li> 단계를 반복 4.2.3과 금은 여전히 ​​C 형 외부에 표시되는 경우 4.2.4. </li><li> 포토 레지스트를 제거하는 아세톤에 샘플을 초음파 처리. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li><li> 현미경 샘플을 검사합니다. </li><li> 단계를 반복 4.2.6 및 4.2.도 7의 포토 레지스트가 완전히 제거되지 않은 경우. 참고 : 또는 적용 산소는 포토 레지스트를 제거하기 전에 포토 레지스트에 단계를 연화 레지스트. 그러나, 초음파 목욕 (해당되는 경우) 포토 레지스트를 제거하는 가장 효과적인 방법입니다. </li></ol></li></ol> 에어 나노 갭에 대한 알 2 O 3 5. 제거 (그림 2t, 배) <ol><li> 알 2 O 3을 제거하는 5 분 동안 5 %의 불화 수소 (HF) 용액에서 샘플을 담근다. </li><li> DI 물 샘플을 씻어 통풍 건조 공기 총을. </li></ol>

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저자는 공개 아무것도 없어.

이 제조 기술은 전자빔 리소그래피 및 자기 조립 등 기존의 방법을 통해 나노 구조체를 만들기위한 중요한 장점을 갖는다. 첫째, 나노 구조물은 전자 빔 리소그래피 프로세스에 실용적이지 나노 기둥 배열을 특징으로 포토 마스크를 이용하여 대 면적 (전체 웨이퍼)를 통해 실현 될 수있다. 둘째로, 제조 공정은 전자 빔 리소그래피에 비해 훨씬 빠르고 간단하며 저렴 전통적인 웨이퍼 스케일 마이크로 제조 공정을 사용한다. 셋째, 원자 스케일의 나노 갭을 용이하게 정확하게 제어 피처 크기 갖는 ALD 공정에 의해 생성 될 수있다. 샘플 회전없이 CR 및 Cu E-빔 증착을 최소화 측벽 증착와 기판에 직접 CR 및 Cu 증착 할 수 있습니다. 금 만 소스 미터에 접속되고, 구리 시드 층을 전기 도금 할 수 있기 때문에 다음의 Au 도금 공정에 중요하다. Cu 층 이후AU의 나노 기둥의 꼭대기에 (S)가 기판 상에 Cu 층으로 분리되어, 금 기판 상에 전기 도금 될 수 없다. 품질과 전해 금의...

테라 헤르츠 (헤르츠) 메타 물질 (MMS)를 생물 의학적 센서 주파수 유연한 디바이스 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11을 위해 개발되었다. 테라 헤르츠 MM 센서의 감도 및 주파수 선택성을 개선하기 위해, 나노 기둥 기반 분할 링 공진기 (SRR)은 (매우 고품질 인자 테라 헤르츠 공진을 여기시키기 나노 기둥 배열을 금 (Au) 내부에서 발생하는 변위 전류를 이용하여 설계 한 Q-요인) (~ 450) (그림 1) 12. 나노 기둥 기반 SRR을 높은 Q-요인과 유망 감지 능력 등 nanostructur의 제조를 표시하더라도넓은 지역에 걸쳐 높은 종횡비 (40)와 나노 크기의 갭 (하위 10 ㎚)와 에스 도전 13 남아있다. 나노 크기 구조물을 제조하는 가장 일반적으로 사용되는 기술은 전자 빔 리소그래피 (EBL) 14, 15, 16, 17이다. 그러나, EBL의 분해능은 여전히 의한 빔 스폿 사이즈, 전자 산란의 레지스트 특성 및 개발 프로세스 (18, 19)에 한정된다. 또한 인한 느린 처리 시간으로 대 면적 EBL을 사용하는 나노 구조물을 제조하는 것이 실용적이지 큰 공정 (20)을 요한다. 나노 구조를 달성하는 또 다른 전략은 자기 조립 기술 (21, 22)을 사용하는 것이다. 솔루션 및 폴더의 유틸리티에 자기 조립 금속 나노 큐브 (나노)으로정전 상호 작용 사이의 나노 고분자 리간드의 연관 델링, 나노 갭으로 잘 구성된 일차원 NC 어레이 (23)를 얻을 수있다. 나노 갭 크기는 나노 결정의 고분자 리간드에 따라 상이한 분자량 24, 25, 26 다른 중합체 물질을인가함으로써 제어 될 수있다. 자기 조립은 확장 가능하고 비용 효율적인 나노 구조물 (23)을 달성하기위한 강력한 방법이다. 그러나, 제조 공정은 종래의 마이크로 및 나노 제작 방법에 비하여 더 복잡하고, 나노 갭 크기의 제어는 전자 장치 애플리케이션을위한 충분히 정확하지 않다. 성공적 나노 기둥 SRR을 기반를 제작하기 위하여, 신규 한 제조 방법은 다음과 같은 목적을 달성하기 위해 개발되어야한다 : I)의 제조 공정을 적용하는 것이 용이하고 협약과 호환알 마이크로 및 나노 제조 공정; ⅱ) 대 면적 제조에 적용한다; ⅲ) 나노 틈새의 크기는 쉽고 정확하게 0.1 nm의 분해능으로 제어 할 수 있고, 10 nm 이하로 축소 될 수있다. 신규 한 제조 방법은 나노 기둥 SRR을 기반을 제조하기위한 전기 도금 공정의 조합과 원자 층 증착 (ALD) 공정을 이용하여 설명된다. 전기가 저가로 자체 충전 프로세스이기 때문에 대 면적 구조를 제조하기 쉽다. ALD 정확하게 프로세스 중에 반응 사이클에 의해 제어 될 수있는 화학 기상 증착 (CVD) 공정이다. ALD 박막의 해상도는 0.1 나노 미터 일 수 있고, 박막은 균일 한 나노 크기의 간극 (27), (28)을 만들 적합한 고품질로 코팅된다. 10 nm의 간격 이하의 나노 기둥 기반 SRR 어레이 성공적 6mm × 6mm의 면적 위에 제조 될 수있다. 둘이야imulated 측정 테라 헤르츠 투과 스펙트럼은 변위 전류에 의해 매개되는 나노 기둥 기반 SRR을 가능성을 증명하는 Q 팩터 큰 주파수 시프트 초고 공진 동작을 도시한다. 상세한 제조 과정은 상기 프로토콜 절에서 설명하고, 상기 비디오 프로토콜 실무자 제조 프로세스를 이해하고, 나노 기둥 SRR을 기반의 제조와 관련된 공통적 인 실수를 방지 할 수 있습니다.

<table><tbody><tr><td>실리콘 웨이퍼</td><td>Siltronic AG</td><td>N/A</td><td>100mm 직경, N형, 단면 연마, 저항: 560-840 & 오메가; &황소; cm</td></tr><tr><td>크롬</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCR35J</td><td>99.95% 순수</td></tr><tr><td>구리</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCU40QXQJ</td><td>99.99% 순수</td></tr><tr><td>E-Beam 증발기 시스템</td><td>Rocky Mountain Vacuum Tech.</td><td>N/A</td><td>RME-2000</td></tr><tr><td>S1813 포지티브 포토레지</td>스트 <td>마이크로포지트</td><td>10018348</td><td>N/A</td></tr><tr><td>스피너</td><td>최고의 도구</td><td>S0114031123</td><td>SMART COATER 100</td></tr><tr><td>마스크 정렬기</td><td>Midas</td><td>MDA-400LJ</td><td>N/A</td></tr><tr><td>디지털 핫 플레이트</td><td>Thermo Scientific</td><td>HP131725</td><td>Super-Nuvoa 시리즈, 최대 온도: 370°C; C</td></tr><tr><td>MF319 개발자</td><td>Microposit</td><td>10018042</td><td>N/A</td></tr><tr><td>아세톤</td><td>Fisher Chemical</td><td>A18P-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>이소프로필 알코올</td><td>Fisher Chemical</td><td>A416-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Gold 25 ES RTU</td><td>Technic Inc.</td><td>391427</td><td>N/A</td></tr><tr><td>소스 미터</td><td>Keithley</td><td>N/A</td><td>2612 시스템 SourceMeter</td></tr><tr><td>현미경</td><td>Omax</td><td>NJF-120A</td><td>해당 없음</td></tr><tr><td>프로파일로</td><td>Tencor Instruments</td><td>N/A</td><td>알파 스텝 200</td></tr><tr><td>APS 구리 에칭 100</td><td>Transfene Company, Inc.</td><td>해당 없음</td><td></td></tr><tr><td>CE-5 M 크롬 마스크 에칭</td><td>Transfene Company, Inc.</td><td>해당 없음</td><td>원자</td></tr><tr><td>층 증착 시스템</td><td>Cambridge Nano Tech inc.</td><td>N/A</td><td>Savannah 시리즈</td></tr><tr><td>이온 밀 에칭 시스템</td><td>Intlvac 박막</td><td>N/A</td><td>Nanoquest 시리즈</td></tr><tr><td>초음파 세척기</td><td>크레스트 초음파</td><td>N/A</td><td>Powersonic 시리즈</td></tr><tr><td>불화 수소산</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244279</td><td>5%로 희석</td></tr> 총 <tr><td>주사 전자 현미경</td><td>Jeol Ltd.</td><td>N/A</td><td>JEOL 6700 시리즈</td></tr></tbody></table>

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

Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

SRR 그러한 공진기 주변의 온도 및 압력 등의 환경의 특성에 의해 영향을받지 않기 때문에 헤르츠 (헤르츠) 분할 링 공진기 (SRR) 메타 물질 (MMS)는 가스, 화학 및 생체 분자 감지 애플리케이션에 대해 검토되고있다. 테라 헤르츠 주파수의 전자기 방사선은 중요한 조건이 특히 생체 분자 센서의 응용 프로그램 인 생체 적합성이다. 그러나, 품질 계수 (Q 값) 및 기존의 박막 계 분할 링 공진기의 주파수 반응 (SRR) MMS는 센서로서의 감도 및 선택성을 제한하는 매우 낮다. 본 연구에서는 새로운 나노 기둥 기반 SRR의 MMS는이 변위 전류를 이용하여, 주위에 기존의 박막 기반의 MMS는보다 45 배 높은 450까지의 Q 팩터를 향상시키기 위해 설계되었습니다. 인핸스 Q 팩터에 더하여, 나노 기둥 계는 MMS는 전통 의해 얻어진 시프트에 비해 더 큰 주파수 변화 (17 배 유도알 박막을 기반으로 MMS). 때문에 크게 향상된 Q-요인과 주파수 변화뿐만 아니라 생체 적합성 방사선의 재산, 테라 헤르츠 나노 기둥 기반 SRR은 생체 물질의 손상 또는 왜곡을 유발하지 않고 높은 감도와 선택성을 가진 생체 분자 센서의 개발을위한 이상적인 MMS는 있습니다. 신규 한 제조 공정은 변위 전류 매개 테라 헤르츠 보호용 나노 기둥 기반 SRR을 구축하는 것으로 입증되었다. 두 단계의 금 (Au) 도금 공정 및 원자 층 증착 (ALD) 공정이 금 나노 기둥 사이의 서브 -10 나노 스케일 갭을 생성하기 위해 사용된다. ALD 프로세스는 컨 포멀 코팅에있어서, 알루미늄 (Al 2 O 3) 나노 스케일 두께의 층이 달성 될 수있는 균일 한 산화 알루미늄 때문이다. 순차적으로 알 2 O 3, 금, 근접 포장의 Au-Al 계 나노 스케일 2 O 3 -Au 구조 사이의 공간을 채우기 위해 다른 금 박막을 전기 도금으로 알 2 O 3 갭이 될 수 있습니다만드는. 나노 갭의 크기는 잘 정확하게 0.1 nm의 정확도를 갖는 ALD 공정의 증착주기를 제어함으로써 정의 될 수있다.

<html> 제조 방식은 각 단계 (도 2a-X)를 보여줍니다. 광학 상 (도 2Y-AC) 및 주사 전자 현미경 (SEM) 화상 (도 2AD-AG)은 다양한 제조 단계에서의 나노 기둥 기반 SRR을 수집 하였다. 애니메이션 (도 2A-C)는 전기 금 나노 기둥의 제 1 층과 전해 금 필름의 두번째 층뿐만 아니라 그들 사이에 나노 갭을 나타낸다. 도 2d는 알 2 O 3 나노 갭 공기 나노 갭 모두 나노 기둥 SRR을 기반의 단면 구조를 도시한다. SEM 이미지는 금 나노 기둥 사이의 나노 기둥 기반 SRR 어레이 및 나노 갭 (도 2af, 2AG, 3E-H)를 위해 수집 하였다. 알 2 O 3 나노 갭 공기 나노 ...

디자인과 새로운 나노 기둥 기반의 분할 링 공진기 (SRR)의 제조를위한 프로토콜이 표시됩니다.

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR ...

본 프로토콜에서는 금 전해 도금 및 원자층 증착법을 사용하여 나노 스케일 간격을 가진 새로운 나노필라 기반 스플릿 링 공진기 메타물질을 제작합니다. 제작된 각 스플릿 링 공진기는 수천 개의 금 나노필라로 구성되며, 나노필라 사이의 나노 간격을 가로지르는 변위 전류에 의해 구동되어 테라헤르츠 공명 현상을 일으킵니다. 변위 전류의 크기는 나노 간격의 크기에 비례합니다.원자층 증착 공정의 사이클 수를 변경하여 나노갭의 크기를 조절할 수 있으며, 이는 공진 주파수와 진폭의 변화로 이어집니다. 이를 통해 약 450의 향상된 품질 계수를 달성할 수 있는데, 이는 박막 분할 링 공진기로 달성 가능한 품질 계수인 11보다 40배 더 높은 수치입니다. 또한 박막 기반 공진기보다 17배 더 큰 주파수 이동이 관찰될 수 있습니다.시뮬레이션 및 측정된 투과 스펙트럼 모두 나노필라 기반 메타물질이 고감도 센서 및 주파수 가변 테라헤르츠 소자의 이상적인 후보임을 보여줍니다. 주사 전자 현미경 분석 결과, 제작된 나노필라 기반 스플릿 링 공진기, 인접한 두 개의 금 나노필라, 그리고 그 사이의 10 nm 산화 알루미늄 간극이 확인되었습니다. 나노필라 기반 스플릿 공진기는 금 나노필라와 10 nm 산화 알루미늄 간극으로 구성됩니다.이 구조는 변위 전류를 통해 유도성 및 용량성 공진을 유도합니다. 이는 소자에 더 많은 에너지를 공급하여 높은 품질 계수(Q factor)와 큰 주파수 이동을 향해 에너지를 강화합니다. 높은 Q 값과 큰 주파수 이동 덕분에 나노필라 기반의 슬릿 공진기는 바이오메디컬 및 화학 센서, 주파수 조정 장치를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.전자빔 리소그래피 및 자기 조립과 같은 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 일반적인 미세 가공 공정만을 사용하여 순차적 전기 도금 공정과 원자층 증착을 결합함으로써 넓은 면적에 나노 규모 구조를 구현할 수 있다는 점입니다. 제작 공정은 전자빔 리소그래피 및 자기 조립에 비해 훨씬 빠르고 간단합니다. 정밀하게 제어된 피처 크기를 통해 높은 종횡비의 나노 구조를 쉽게 생성할 수 있습니다.먼저, 평평한 기판 위에 증착 및 접착 촉진층과 시드층을 형성합니다. 그다음, 포토리소그래피와 전기 도금을 사용하여 나노필라 패턴을 제작합니다. 원자층 증착법을 이용하여 전체 구조 위에 나노 규모의 유전체 층을 균일하게 코팅합니다.그런 다음 두 번째 접착 촉진층과 시드층을 증착하고, 이어서 전기 도금을 수행합니다. 마지막으로, 포토리소그래피와 이온 밀링을 사용하여 나노필라와 유전체 나노갭을 부분적으로 식각함으로써 C자형 분할 링 공진기를 제작합니다. 그 후, 초음파 세척조에서 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다.4인치 고저항 실리콘 웨이퍼를 사용하여 기판 준비를 시작합니다. 아세톤, 이소프로필 알코올, 탈이온수로 실리콘 웨이퍼를 세척합니다. 그 후, 질소 가스로 건조시킵니다.전자빔 증착기를 사용하여 5 nm 두께의 크롬 접착 증진층과 10 nm 두께의 구리 시드층을 증착합니다. 웨이퍼를 2 cm × 2.5 cm 크기로 절단합니다. 그 다음, S1813 포토레지스트를 2,000 RPM에서 60초 동안 스핀 코팅하여 2 µm 두께의 층을 형성합니다.기판을 115 °C에서 60초 동안 가열합니다. 이제 마스크 얼라이너를 사용하여 약 15 mW/cm²의 자외선으로 22초 동안 나노필라 마스크를 통해 포토레지스트에 노광합니다. 나노필라 마스크는 5 mm × 5 mm 크기의 나노필라 어레이로 구성되어 있습니다.교반하며 MF-319 현상액으로 포토레지스트를 90초 동안 현상합니다. 탈이온수로 샘플을 헹군 다음, 질소 가스로 건조시킵니다. 전극 연결을 위해 구리 시드층을 노출시키도록 아세톤을 사용하여 기판 위의 포토레지스트 상단 부분을 제거합니다.그 다음, 시료를 금 전기 도금 용액에 담가 약 8분 동안 800 nanometer 두께의 금 층을 전기 도금합니다. 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거합니다. 탈이온수로 헹군 후, 질소 가스로 건조시킵니다.샘플을 크롬 식각액에 10초 동안 담근 후, 구리 식각액에 10초 동안 담가 샘플 표면의 크롬 및 구리 층을 제거합니다. 그런 다음, 원자층 증착법을 사용하여 샘플에 10 nanometer 두께의 산화알루미늄 층을 균일하게 코팅합니다. 전자빔 증착기를 사용하여 10 nanometer 산화알루미늄 층 위에 두 번째 5 nanometer 크롬 접착 촉진 층과 두 번째 10 nanometer 구리 시드 층을 증착합니다.기판 위에 400 nanometer 두께의 금 박막을 전해 도금하기 위해 샘플을 금 전해 도금 용액에 16분 동안 담급니다. S1813 Photoresist를 2,000 RPM에서 60초 동안 스핀 코팅하여 2 micrometer 층을 형성합니다. 기판을 115 °C에서 60초 동안 베이킹합니다.마스크 얼라이너를 사용하여 약 15 mW/cm²의 UV 광원으로 C자형 분할 링 공진기 마스크를 통해 포토레지스트에 노광을 22초 동안 수행합니다. MF-319 현상액에서 90초 동안 현상합니다. 이온 밀 시스템을 사용하여 포토레지스트 패턴 외부의 구조물을 약 30분 동안 식각합니다.초음파 세척기의 아세톤을 사용하여 포토레지스트를 제거한 다음, 샘플을 아세톤, 이소프로필 알코올, 탈이온수로 헹구고 질소 가스로 건조합니다. 또는 공기 나노갭(air nanogaps)을 형성하려는 경우, 샘플을 5% 불화수소 용액에 5분 동안 담가 산화알루미늄을 제거합니다. 광학 현미경으로 나노필라 기반의 분할 링 공진기를 검사합니다.광학 이미지는 실리콘 기판 위에 놓인 두 개의 5 mm x 5 mm 나노필라 기반 분할 링 공진기 어레이를 보여줍니다. 확대된 광학 현미경 이미지는 C자형 나노필라 기반 분할 링 공진기 어레이를 보여줍니다. 단일 분할 링 공진기의 확대 이미지에서 금 나노필라와 산화알루미늄 나노갭을 관찰할 수 있습니다.주사 전자 현미경(SEM) 분석 결과, 제작된 나노필라 기반 스플릿 링 공진기와 인접한 두 개의 금 나노필라, 그리고 그 사이의 산화알루미늄 갭이 확인되었습니다. 산화알루미늄 원자층 증착 공정의 사이클 수를 조절함으로써 5 nm 산화알루미늄 갭과 10 nm 산화알루미늄 갭을 모두 용이하게 제작할 수 있습니다. 이러한 결과는 본 제작 공정을 통해 대면적 기판 위에 수천 개의 나노필라 기반 스플릿 링 공진기를 구현할 수 있음을 보여줍니다.이 공정은 전자빔 리소그래피 및 자기 조립 방식과 비교하여 나노갭의 크기를 정밀하게 제어할 수 있으며, 높은 종횡비의 나노구조를 쉽게 제작할 수 있습니다. 나노필라 기반의 스플릿 링 공진기는 수천 개의 금 나노필라와 나노 규모의 갭을 포함합니다. 나노필라 기반 스플릿 링 공진기의 공진 주파수와 진폭은 나노갭의 크기를 변경함으로써 쉽게 조정할 수 있어, 생의학 센서 및 주파수 가변 장치를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.이 영상을 시청하고 나면, 2단계 금 전기 도금 및 원자층 증착 공정을 통해 금 나노필라 사이에 산화 알루미늄 나노 스케일 간극을 생성하여 금 나노필라 기반의 split ring resonator를 제작하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 공정의 작동 원리를 이해하고, 공정에 사용되는 각 재료에 적합한 물질과 두께를 선택하는 것이 중요합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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