Fabricage van Nanopillar-Based Split Ring Resonators voor Displacement Current gemedieerde resonanties in Terahertz Metamaterials

Dit protocol maakt gebruik van goud-elektroplating en atomaire laagdepositie-methoden om innovatieve op nanopillars gebaseerde split-ring resonator metamaterialen met nanoscopische openingen te creëren. Elke gefabriceerde split-ring resonator bestaat uit duizenden gouden nanopillars en wordt aangestuurd door verplaatsingsstroom over de nanokloven tussen hen, wat terahertz-resonanties opwekt. De grootte van de verplaatsingsstroom is proportioneel aan de afmeting van de nanokloven.

De grootte van de nanokleuren kan worden afgestemd door het aantal cycli van het atoomlaagdepositieproces te variëren, wat leidt tot veranderingen in de resonantiefrequenties en amplitude. Er kan een verbeterde kwaliteitsfactor van ongeveer 450 worden bereikt, wat 40 keer hoger is dan de kwaliteitsfactor van 11 die behaald kan worden met dunne-film split-ring-resonatoren. Ook kan een frequentieverschuiving worden waargenomen die 17 keer groter is dan die van op dunne film gebaseerde resonatoren.

Zowel de gesimuleerde als de gemeten transmissiespectra tonen aan dat de op nanopijlers gebaseerde metamaterialen ideale kandidaten zijn voor hooggevoelige sensoren en frequentie-agiele terahertz-apparaten. Analytische resultaten van scanningelektronenmicroscopie tonen de gefabriceerde op nanopijlers gebaseerde split-ring resonator, twee aangrenzende gouden nanopijlers, alsofijne aluminiumoxide-kieren van 10 nanometer tussen hen. Op nanopijlers gebaseerde split-resonatoren bevatten gouden nanopijlers en een aluminiumoxide-kier van 10 nanometer.

Deze structuur wekt inductieve en capacitieve resonantie op via verplaatsingsstroom. Ze leveren er meer energie aan, versterken de energieën naar een hoge kwaliteitsfactor en zorgen voor een grote frequentieverschuiving. Vanwege de hoge Q-waarde en de grote frequentieverschuiving zijn de op nanopilaren gebaseerde split-resonatoren geschikt voor diverse toepassingen, waaronder biomedische en chemische sensoren en frequentietuningsapparaten.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals elektronenstraal-lithografie en zelfassemblage is dat deze methode een sequentieel elektroplateringsproces combineert met atomaire laagdepositie om nanostructuren over een groot oppervlak te realiseren, met enkel conventionele microfabricageprocessen. Het fabricageproces is veel sneller en eenvoudiger in vergelijking met elektronenstraal-lithografie en zelfassemblage. Nanostructuren met een hoge aspectratio kunnen eenvoudig worden gecreëerd met nauwkeurig gecontroleerde keniselementen.

Stort eerst een hechtingsbevorderende laag en een seed-laag op een vlak substraat. Patroneer vervolgens de nanopillars middels fotolithografie en galvanisatie. Breng met behulp van atomic layer deposition een uniforme diëlektrische laag op nanoschaal aan over de gehele structuur.

Vervolgens worden een tweede adhesiebevorderende laag en een seed-laag afgezet, gevolgd door een galvanische afzetting. Creëer daarna een C-vormige split-ring resonator door de nanopilaren en diëlektrische nanokloven gedeeltelijk weg te etsen middels fotolithografie en ionenmilling. Verwijder vervolgens de fotoresist met aceton in een ultrasoonbad.

Begin de voorbereiding van het substraat met een siliciumwafer met een hoge resistiviteit van vier inch. Reinig de siliciumwafer met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water. Blaas deze vervolgens droog met stikstofgas.

Gebruik een elektronenstraalevaporator om een adhesiebevorderende laag chroom van vijf nanometer en een koperen seedlaag van 10 nanometer op te brengen. Snijd de wafer in stukken van twee centimeter bij 2,5 centimeter. Breng vervolgens een laag S1813 Photoresist van twee micrometer aan via spin-coating, bij 2.000 RPM, gedurende 60 seconden.

Bak het substraat bij 115 °C gedurende 60 seconden. Stel de Photoresist vervolgens bloot aan het nanopilaarmasker met behulp van een masker-aligner, met ongeveer 15 mW/cm² ultraviolet licht, gedurende 22 seconden. Het nanopilaarmasker bevat nanopilaararrays van vijf millimeter bij vijf millimeter.

Ontwikkel de fotolak in MF-319 ontwikkelaar onder agitatie gedurende 90 seconden. Spoel het monster af met gedeïoniseerd water en droog het vervolgens door middel van een stikstofstroom. Verwijder het bovenste gedeelte van de fotolak op het substraat met aceton om de koperen seedlaag bloot te leggen voor de aansluiting van de elektroden.

Doop vervolgens de monster in een goud-elektroplateeroplossing en breng gedurende ongeveer acht minuten een goudlaag van 800 nanometer aan via elektroplating. Verwijder de fotolak met aceton. Spoel af met gedeïoniseerd water en droog door te blazen met stikstofgas.

Verwijder de chroom- en koperlaag op het oppervlak van het monster door het monster 10 seconden in chroometsmiddel te dompelen, gevolgd door 10 seconden in koperetsmiddel. Breng vervolgens met behulp van atomaire laagdepositie een uniforme aluminiumoxidelaag van 10 nanometer aan op het monster. Gebruik een elektronenstraalevaporator om een tweede adhesiebevorderende chroomlaag van vijf nanometer, evenals een tweede koperen seedlaag van 10 nanometer, bovenop de aluminiumoxidelaag van 10 nanometer te deposeren.

Dompel het monster 16 minuten in een goud-elektroplatoplossing om een goudlaag van 400 nanometer op het substraat aan te brengen. Breng met spin-coating een laag S1813 photoresist van twee micrometer aan bij 2.000 RPM gedurende 60 seconden. Bak het substraat 60 seconden bij 115 degrees celsius.

Belicht de fotolak met het C-vormige split-ring resonator-masker met behulp van een mask-aligner met ongeveer 15 milliwatt per vierkante centimeter UV-licht, gedurende 22 seconden. Ontwikkel in MF-319 ontwikkelaar gedurende 90 seconden. Ets de structuren buiten het fotolakpatroon weg met een ion-mill-systeem gedurende ongeveer 30 minuten.

Verwijder de fotoresist met aceton in een ultrasoonbad, spoel de sample vervolgens af met aceton, isopropylalcohol en gedeïoniseerd water, en droog deze daarna met stikstofgas. Indien lucht-nanogaps gewenst zijn, kan de sample alternatief vijf minuten in een 5% fluorwaterijzuuroplossing worden ondergedompeld om het aluminiumoxide te verwijderen. Inspecteer de op nanopillars gebaseerde split-ring resonators onder een optische microscoop.

Optische beeldvorming toont twee arrays van 5 millimeter bij 5 millimeter van nanopilaar-gebaseerde split-ring resonators op een siliconensubstraat. De ingezoomde optische microscoopafbeelding toont de C-vormige nanopilaar-gebaseerde split-ring resonator arrays. Gouden nanopilaren en aluminiumoxide-nanokloven kunnen worden waargenomen in de ingezoomde afbeelding van een enkele split-ring resonator.

Analytische resultaten van scanning-elektronenmicroscopie toonden evenzo de gefabriceerde split-ring-resonator op basis van nanopillaren, twee aangrenzende gouden nanopillaren, alsook aluminiumoxide-openingen daartussen. Zowel aluminiumoxide-openingen van vijf nanometer als aluminiumoxide-openingen van 10 nanometer kunnen eenvoudig worden gefabriceerd door de cycli van het atomaire laagdepositieproces van aluminiumoxide te beheersen. Deze resultaten tonen aan dat dit fabricageproces duizenden split-ring-resonatoren op basis van nanopillaren op een substraat op grote schaal kan produceren.

Dit proces maakt een nauwkeurige controle over de grootte van de nanokloven mogelijk en kan eenvoudig nanostructuren met een hoge aspectratio produceren, in vergelijking met elektronenbundellithografie en zelfassemblage. De op nanopilaars gebaseerde split ring resonators bevatten duizenden gouden nanopilaars en nanometrische klovens. De resonantiefrequenties en amplitudes van de op nanopilaars gebaseerde split ring resonators kunnen eenvoudig worden afgestemd door de grootte van de nanokloven te variëren, waardoor ze geschikt zijn voor diverse toepassingen, waaronder biomedische sensoren en frequentie-agiele apparaten.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u split-ring resonatoren op basis van gouden nanopijlers maakt met behulp van een tweestapsgoud-elektroplating- en atomaire laagdepositieproces om aluminiumoxide nanokleuven tussen gouden nanopijlers te creëren. Het is belangrijk om het werkingsprincipe van het proces te begrijpen en de juiste materialen en diktes te kiezen voor elk materiaal dat in het proces wordt gebruikt.