Wytwarzanie rezonatorów z dzielonym pierścieniem na bazie nanofilarów do rezonansów za pośrednictwem prądu przemieszczenia w metamateriałach terahercowych

Niniejszy protokół wykorzystuje metody galwanizacji złotem oraz osadzania warstw atomowych do tworzenia nowatorskich metamateriałów w postaci rozszczepionych rezonatorów pierścieniowych opartych na nanopilarzach z nanometrycznymi przerwami. Każdy wykonany rozszczepiony rezonator pierścieniowy składa się z tysięcy złotych nanopilarzy i jest wzbudzany przez prąd przesunięcia przepływający przez nanoprzerwy między nimi, co wywołuje rezonanse w zakresie terahercowym. Wartość prądu przesunięcia jest proporcjonalna do rozmiaru nanoprzerw.

Wielkość nanoprzerw można dostosować poprzez zmianę liczby cykli procesu osadzania warstw atomowych, co skutkuje zmianami częstotliwości rezonansowych i amplitudy. Możliwe jest uzyskanie zwiększonego dobroci rzędu 450, co stanowi 40-krotny wzrost w porównaniu do dobroci wynoszącej 11, którą można osiągnąć w przypadku cienkowarstwowych rezonatorów pierścieni rozciętych. Można również zaobserwować przesunięcie częstotliwości 17 razy większe niż w przypadku rezonatorów opartych na cienkich warstwach.

Zarówno symulowane, jak i zmierzone widma transmisji wykazują, że metamateriały oparte na nanopilarach są idealnymi kandydatami na wysokoczułe czujniki oraz częstotliwościowo programowalne urządzenia terahercowe. Wyniki analityczne z pomiarów za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej przedstawiają wykonany pierścieniowy rezonator z przerwą oparty na nanopilarach, dwa sąsiadujące złote nanopilary, a także 10 nanometrowe przerwy z tlenku glinu pomiędzy nimi. Pierścieniowe rezonatory z przerwą oparte na nanopilarach składają się ze złotych nanopilarów i 10 nanometrowej przerwy z tlenku glinu.

Struktura ta wzbudza rezonans indukcyjny i pojemnościowy poprzez prąd przesunięcia. Dostarcza ona do niego więcej energii, zwiększa energię tych zjawisk, co prowadzi do uzyskania wysokiego współczynnika dobroci oraz dużego przesunięcia częstotliwości. Ze względu na wysoką wartość Q i duże przesunięcie częstotliwości, rezonatory rozszczepione oparte na nanopilarach nadają się do różnorodnych zastosowań, w tym do czujników biomedycznych i chemicznych oraz urządzeń do strojenia częstotliwości.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak litografia wiązką elektronów i samoorganizacja, jest fakt, że metoda ta łączy sekwencyjny proces elektroosadzania z osadzaniem warstw atomowych w celu realizacji struktur w skali nanometrów na dużym obszarze, przy użyciu jedynie konwencjonalnych procesów mikrofabrykacji. Proces wytwarzania jest znacznie szybszy i prostszy w porównaniu z litografią wiązką elektronów oraz samoorganizacją. Można w łatwy sposób tworzyć nanostruktury o wysokim współczynniku proporcji z precyzyjnie kontrolowanymi rozmiarami elementów.

W pierwszej kolejności naniesiono warstwę promotora adhezji oraz warstwę zarodkową (seed layer) na płaski podłoże. Następnie, przy użyciu fotolitografii i elektroosadzania, wykonano wzór nanopilarów. Całą strukturę równomiernie pokryto nanometryczną warstwą dielektryka, wykorzystując osadzanie z warstw atomowych (ALD).

Następnie nanosi się drugą warstwę promotora adhezji oraz warstwę zarodkową, po czym przeprowadza się osadzanie metodą galwaniczną. Na koniec, poprzez częściowe trawienie nanopilarów i dielektrycznych nanoprzestraw, przy użyciu fotolitografii i trawienia jonowego, tworzy się rezonator pierścieniowy z rozcięciem w kształcie litery C. Następnie usuwa się fotorezyst za pomocą acetonu w kąpieli ultradźwiękowej.

Przygotowanie podłoża należy rozpocząć od zastosowania czterocalowego wafla krzemowego o wysokiej rezystywności. Wafel krzemowy należy oczyścić acetonem, alkoholem izopropylowym oraz wodą dejonizowaną. Następnie należy go osuszyć strumieniem azotu.

Użyj parownika wiązki elektronowej, aby nanieść pięciometrową warstwę promotorową chromu oraz 10 nanometrową warstwę startową miedzi. Potnij wafer na kawałki o wymiarach dwa centymetry na 2,5 centymetra. Następnie, metodą spin coatingu nanieś dwumikronową warstwę fotorezystu S1813 przy 2 000 RPM przez 60 sekund.

Wypiecz podłoże w temperaturze 115 °C przez 60 sekund. Następnie naświetl fotorezyst za pomocą maski nanopilarnej przy użyciu wyrównywacza masek, stosując światło ultrafioletowe o natężeniu około 15 mW/cm² przez 22 sekundy. Maska nanopilarna zawiera macierze nanopilar o wymiarach 5 mm na 5 mm.

Wywołać fotorezist w wywoływaczu MF-319 przy mieszaniu przez 90 sekund. Przepłukać próbkę wodą dejonizowaną, a następnie osuszyć strumieniem gazu azotowego. Usunąć górną warstwę fotorezistu z podłoża za pomocą acetonu, aby odsłonić miedzianą warstwę zarodkową w celu podłączenia elektrod.

Następnie zanurz próbkę w roztworze do galwanizacji złotem i nanieś warstwę złota o grubości 800 nanometrów przez około osiem minut. Usuń fotorezyst za pomocą acetonu. Przepłucz wodą dejonizowaną i osusz strumieniem azotu.

Usuń warstwę chromu i miedzi z powierzchni próbki, zanurzając ją w trawieniu do chromu na 10 sekund, a następnie w trawieniu do miedzi na 10 sekund. Następnie równomiernie pokryj próbkę 10 nanometrową warstwą tlenku glinu, wykorzystując osadzanie warstw atomowych. Użyj ewaporatora wiązką elektronów, aby nanieść drugą pięcionanometrową warstwę promotora adhezji z chromu, a także drugą 10 nanometrową warstwę zarodkową z miedzi, na wierzch 10 nanometrowej warstwy tlenku glinu.

Zanurz próbkę w roztworze do galwanizacji złota na 16 minut, aby nałożyć na podłoże złotą warstwę o grubości 400 nanometrów. Nanieś metodą spin-coatingu warstwę fotorezystu S1813 o grubości dwóch mikrometrów, wirując z prędkością 2 000 RPM przez 60 sekund. Wygrzej podłoże w temperaturze 115 °C przez 60 sekund.

Naświetl fotorezyst maską rezonatora pierścieniowego z rozcięciem w kształcie litery C, używając wyrównywacza masek z natężeniem światła UV około 15 mW/cm² przez 22 sekundy. Wywołaj w wywoływaczu MF-319 przez 90 sekund. Wytraw struktury poza wzorem fotorezystu, korzystając z systemu trawienia jonowego przez około 30 minut.

Usuń fotorezyst za pomocą acetonu w kąpieli ultradźwiękowej, następnie opłucz próbkę acetonem, alkoholem izopropylowym i wodą dejonizowaną, a następnie osusz strumieniem azotu. Alternatywnie, jeśli preferowane są nanoprzerwy powietrzne, zanurz próbkę w 5% roztworze fluorowodoru na pięć minut, aby usunąć tlenek glinu. Obejrzyj rozszczepione rezonatory pierścieniowe oparte na nanofilarach pod mikroskopem optycznym.

Obrazowanie optyczne przedstawia dwie macierze rezonatorów pierścieniowych z przerwą opartych na nanopilarach o wymiarach 5 mm na 5 mm na podłożu silikonowym. Powiększony obraz z mikroskopu optycznego ukazuje macierze rezonatorów pierścieniowych z przerwą opartych na nanopilarach w kształcie litery C. Na powiększonym obrazie pojedynczego rezonatora pierścieniowego z przerwą można zaobserwować złote nanopilary oraz nanoprzerwy z tlenku glinu.

Wyniki analizy z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej wykazały obecność wykonanego rezonatora pierścieniowego z rozcięciem opartego na nanopilarach, dwóch sąsiadujących złotych nanopilarów oraz przerw z tlenku glinu pomiędzy nimi. Zarówno przerwy z tlenku glinu o szerokości 5 nm, jak i przerwy o szerokości 10 nm mogą być łatwo wytwarzane poprzez kontrolę liczby cykli procesu osadzania warstw atomowych tlenku glinu. Wyniki te pokazują, że proces ten pozwala na wytworzenie tysięcy rezonatorów pierścieniowych z rozcięciem opartych na nanopilarach na podłożu o dużej powierzchni.

Proces ten pozwala na precyzyjną kontrolę rozmiaru nanoszczelin i umożliwia łatwe wytwarzanie nanostruktur o wysokim stosunku kształtu w porównaniu do litografii wiązką elektronów i samoorganizacji. Rozdzielone pierścienie rezonansowe oparte na nanopilarzach zawierają tysiące złotych nanopilarzy oraz szczeliny w skali nanometrów. Częstotliwości rezonansowe i amplitudy rozdzielonych pierścieni rezonansowych opartych na nanopilarzach można łatwo dostrajać poprzez zmianę rozmiaru nanoszczelin, co czyni je odpowiednimi do różnorodnych zastosowań, w tym do czujników biomedycznych oraz urządzeń o zmiennej częstotliwości.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać solidną wiedzę na temat wytwarzania rezonatorów pierścieniowych z rozcięciem opartych na złotych nanopilarach, z wykorzystaniem dwuetapowego procesu elektroplatingu złota oraz osadzania warstw atomowych w celu stworzenia nanometrycznych szczelin z tlenku glinu pomiędzy złotymi nanopilarami. Istotne jest zrozumienie zasady działania tego procesu oraz wybór odpowiednich materiałów i grubości dla każdego z nich.