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

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.