Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

המצאה של מהודי טבעת פיצול Nanopillar מבוסס על התזוזה נוכחית מתווכת רזוננסים ב Metamaterials Terahertz

Published: March 23, 2017 doi: 10.3791/55289
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of Minnesota

Summary

פרוטוקול עבור בעיצוב הייצור של מהוד טבעת פיצול מבוסס nanopillar רומן (SRR) מוצג.

Abstract

Terahertz (THz) מהוד טבעת פיצול (SRR) metamaterials (MMS) נחקר במשך גז, כימיקלים, ויישומים חישה וביומולקולרית משום SRR אינו מושפע מאפיינים סביבתיים כגון הטמפרטורה והלחץ שמסביב מהוד. קרינה אלקטרומגנטית בתדרי THz היא ביולוגית, המהווה תנאי קריטי במיוחד עבור היישום של חישת biomolecular. עם זאת, גורם האיכות (Q פקטור) ותגובות תדירות מהוד טבעת פיצול מסורתי המבוסס סרט דק (SRR) MMS נמוכים מאוד, אשר מגביל רגישויות שלהם סלקטיביות כמו חיישנים. בעבודה זו, MMS SRR מבוסס nanopillar רומן, ניצול זרם העתק, נועד לשפר את Q הפקטור עד 450, הנמצא כ 45 פעמים גבוהות יותר מזה של MMS מבוסס סרט דק מסורתי. בנוסף Q הפקטור המשופר, MMS מבוסס nanopillar לגרום משמרות בתדירות גדולות יותר (17 פעמים לעומת המשמרת שהשיגה המסורתMMS סרט דק מבוסס אל). בגלל ש-גורמים במשמרות תדירות משופרת באופן משמעותי כמו גם את רכושם של קרינה ביולוגית, את SRR מבוססי nanopillar THz MMS הם אידיאליים לפיתוח חיישנים וביומולקולרית ברגישות סלקטיביות גבוהה ללא גרימת נזק או עיוות biomaterials. תהליך ייצור רומן הודגם לבנות את SRRs מבוסס nanopillar עבור MMS THz עקירה נוכחית בתיווך. תהליך אלקטרוליטי שני שלבים זהב (Au) וכן בתצהיר שכבה אטומית (ALD) תהליך המשמשים ליצירת פערים בקנה מידה תת-10 ננומטר בין nanopillars Au. מאחר שתהליך ALD הוא תהליך ציפוי קונפורמי, תחמוצת אלומיניום אחידה (Al 2 O 3) שכבה עם עובי בקנה מידה ננומטרי יכול להיות מושגת. על ידי ברצף אלקטרוליטי עוד סרט Au דק כדי למלא את החללים בין אל 2 O 3 ו- Au, מבנה Au-אל 2 וגדוש קרוב O 3 -Au עם בקנה מידה ננו אל 2 O 3 הפערים יכולים להיותמְפוּבּרָק. גודלו של-פערי ננו יכול להיות מוגדר היטב על ידי דווקא שליטת המחזורים בתצהיר של התהליך ילד, אשר יש דיוק של 0.1 ננומטר.

Introduction

Terahertz (THz) metamaterials (MMS) פותחה עבור חיישנים ביו ותדירות-זריזה התקנים 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. על מנת לשפר את הסלקטיביות הרגישות ותדירויות חיישני MM THz, מהוד טבעת פיצול מבוסס nanopillar (SRR) תוכנן באמצעות זרם העתק שנוצר בתוך זהב (Au) מערכי nanopillar לרגש תהודות THz עם גורמי איכות גבוהה במיוחד ( Q-גורמים) (~ 450) (איור 1) 12. למרות SRRs מבוסס nanopillar להראות ש-גורמים גבוהים ויכול חישה מבטיחה, ייצור של nanostructur כזהes עם היבט ratios גבוהה (יותר מ -40) ופערים בקנה מידה ננו (ננומטר תת-10) על פני שטח גדול נשאר 13 מאתגר.

הטכניקה הנפוצה ביותר לפברק מבנים ננו בקנה מידה היא ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים (EBL) 14, 15, 16, 17. עם זאת, ההחלטה של EBL עדיין מוגבלת בשל גודל נקודת קרן, פיזור אלקטרונים, מאפיינים של להתנגד, ואת תהליך הפיתוח 18, 19. בנוסף, אין זה מעשי לפברק ננו באמצעות EBL על פני שטח גדול עקב זמן תהליך איטי תהליך גדול עולה 20. אסטרטגיה נוספת להשיג ננו הוא להשתמש בשיטת ההרכבה העצמית 21, 22. על ידי nanocubes מתכת הרכבה עצמית (NCS) בתמיסה ו utilizing האינטראקציה אלקטרוסטטי איגוד הליגנדים פולימר בין NCS, מערך NC חד ממדית מאורגן היטב עם פערים בקנה מידה ננו יכולה להיות מושגת 23. גודל ננו-הפער תלוי הליגנדים הפולימר בין NCS וניתן לשלוט על ידי יישום חומרים פולימריים שונים עם משקולות מולקולריות שונות 24, 25, 26. הרכבה עצמית הנה טכניקה להשגת 23 ננו מדרגים וחסכוניים. עם זאת, תהליך הייצור מורכב יותר לעומת תהליכי ייצור מייקרו וננו קונבנציונליים, ואת השליטה בגדלי ננו-פער אינה מדויקת מספיק עבור יישומי מכשיר אלקטרוניים. כדי לפברק בהצלחה מבוססת nanopillar SRRs, שיטת ייצור רומן צריכה להיות הומצאה כדי להשיג את המטרות הבאות: א) תהליך הייצור קל ליישום והוא תואם עם אמנהתהליכים מיקרו וננו אל המצאה; ii) תיצור על פני שטח גדול הוא ישים; iii) בגדלים ננו-הפער ניתן בקלות ובדייקנות נשלט עם רזולוציה 0.1 ננומטר, וניתן לשנותם עד 10 ננומטר או פחות.

שיטת ייצור רומן מודגמת באמצעות שילוב של תהליך אלקטרוליטי וכן בתצהיר שכבה אטומי (ALD) תהליך לפברק SRRs מבוסס nanopillar. מאז אלקטרוליטי הוא תהליך מילוי עצמי עם עלות נמוכה, קל לפברק מבנים על פני שטח גדול. תלד הוא שיקוע כימי (CVD) בתהליך זה ניתן לשלוט באופן מדויק על ידי מחזור התגובה תוך כדי התהליך. הרזולוציה של סרט דק ילד יכולה להיות 0.1 ננומטר, ואת הסרט הדק מצופה באופן אחיד עם איכות גבוהה, אשר מתאים ליצור פערים ננו בהיקף 27, 28. Nanopillar מבוסס מערך SRR עם 10 פערים ננומטר או פחות יכול להיות מפוברק בהצלחה על פני שטח של 6 מ"מ × 6 מ"מ. שניהם simulated ומדד ספקטרום שידור THz להראות התנהגויות תהודה עם אולטרה-גבוה Q-גורם במשמרות תדירויות גדולות, אשר מוכיח את הכדאיות של SRRs מבוסס nanopillar בתיווך זרם העתק. תהליך הייצור המפורט מתואר להלן בסעיף הפרוטוקול, ואת פרוטוקול הווידאו יכול לעזור למתרגלים להבין את תהליך הייצור ולמנוע טעויות נפוצות הקשורות הייצור של SRRs מבוסס nanopillar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

זהירות: כמה כימיקלים המשמשים סינתזות אלה הם רעילים, דליק מאוד, ועלול לגרום לגירוי ונזק איברים חמור כשנוגעים בהם או בשאיפה. אנא ללבוש ציוד מגן אישי מתאים (PPE) בעת הטיפול.

1. הכנה של השכבה הראשונה של זהב (Au) Nanopillar מערכים (איור-ג 2a ואיור 2E-ז)

  1. הכנת נחושת (Cu) שכבות זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2 א, ב ואיור 2e, ו)
    1. השתמש רקיק 4 "סיליקון התנגדות גבוהה (Si). (התנגדות: 560 - 840 Ω · ס"מ) כמו המצע רקיק Si הוא מסוממים N-סוג ומלוטש בצד אחד (איור 2 א, ה).
    2. חותכים את Si רקיק לתוך 2 ס"מ × 2.5 ס"מ חתיכות לשימוש מאוחר יותר.
    3. להפקיד כרום ננומטר 5 (Cr) שכבת על מדגם סי באמצעות תהליך אידוי אלומת אלקטרונים (E-beam) כנדבך הדבקה בין Si ו Cu.
    4. להפקיד רובד Cu 10 ננומטר על גבי שכבת Cr הקיים באמצעותE-beam תהליך אידוי כמו שכבת זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2b, ו).
  2. Electroplating מערך nanopillar Au (איור 2 ג, ז)
    1. דפוסי מערך nanopillar
      1. ספין מעיל photoresist על מדגם מוכן בסעיף 1.1 ב 2000 סל"ד במשך 60 שניות.
      2. אופים את המדגם על צלחת חמה ב 115 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות.
      3. לחשוף את photoresist תחת אולטרה סגול (UV) קלה (כוח של 2 ~ 15 mW / cm) עם photomask Cr המכיל אלפי דפוסים nanopillar עבור 22 s.
      4. פיתוח עם יזם עבור 90 s עם תסיסה.
      5. יש לשטוף את המדגם עם יונים (DI) מים ולפוצץ-לייבש את המדגם עם רובה אוויר.
    2. Electroplating מערך nanopillar Au
      1. הסר את החלק העליון של photoresist על המדגם עם אצטון כדי לחשוף את שכבת זרע Cu לחיבור האלקטרודה.
      2. חבר את סםple (שכבת זרע Cu) למסוף השלילי מטר מקור באמצעות מהדק חוט. במקרה זה, המדגם הוא האנודה במהלך תהליך אלקטרוליטי.
      3. חבר חתיכת פלטינה (Pt) מצופה Si (באותו גודל כמו המדגם) להדק החיובי של מד המקור. Pt הוא הקתודה במהלך תהליך אלקטרוליטי.
      4. לצלול הוא קתודת Pt ו Cu לאנודה פתרון אלקטרוליטי Au. שמור את שתי אלקטרודות זה מול זה, תוך שמירת מרחק של ס"מ 1 ~.
      5. להפעיל מונה מקור אספקת מתח קבוע של 1.12 V. Electroplate Au על המדגם עבור 8 דקות (שיעור בתצהיר: ~ 100 ננומטר / min).
      6. יש לשטוף את המדגם עם מים די, ואחריו אצטון כדי להסיר את photoresist.
      7. יש לשטוף את המדגם עם מים די שוב מכה-יבש עם רובה אוויר.
      8. בדוק את מערך nanopillar Au electroplated תחת מיקרוסקופ.
      9. מדוד את עובי של nanopillars Au עם profilometer (עוביAu nanopillars הוא ~ 800 ננומטר).
        הערה: הגדרת זרם קבועה יכולה לשמש גם כדי Electroplate nanopillars Au. בשני המתח הקבועים קופץ סט זרם קבוע, המתח הנוכחי והאידיאלי המשמש אלקטרוליטי Au יכול להיות מושגת על ידי ניסוי וטעייה.

2. יצירת-פערים ננו בין Au Nanopillars (איור 2, ח)

  1. הסרת שכבות Cr ו Cu
    1. לצלול מדגם etchant Cu עד שצבע Cu נעלם.
    2. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.
    3. בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ.
    4. לצלול מדגם etchant מסכת Cr עבור 10 שניות.
    5. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.
    6. בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ.
  2. המצאה של תחמוצת אלומיניום בקנה מידה ננו (Al 2 O 3) פערים
    1. מחמם את צ'אם המערכת תלדבער 200 ° C.
    2. הנח את הדוגמה במרכז החדר.
    3. משאבה למטה בתא ואקום ולהגדיר את מספר מחזור ל -100 (שיעור בתצהיר: ~ 1 / מחזור).
    4. ברצף ולחילופין הדופק trimethylaluminum (TMA) גז עם תקופת זמן של 0.015 ים ומים (H 2 O) אדי עם תקופת זמן של 0.015 שניות לתוך תא להפקיד באופן אחיד אל 2 O 3 שכבות על המדגם. פער הזמן בין דופק בכל הוא 5 ימים. הלחץ הקאמרי במהלך דופק TMA הוא 10 Torr והלחץ במהלך 2 H O אדי דופק הוא 2 Torr.
    5. טהר ושואבים אבק הקאמרי בין כל מחזור של בתצהיר. הפקדה אל 2 O 3 עבור 100 מחזורים ולהוציא המדגם מהאולם.
    6. מדוד את עובי של 3 אלד אל 2 O באמצעות ellipsometer.

3. הכנת את השכבה השנייה של סרט דק Au (איור 2i-l ואיור 2m-p)

  1. הכנת שכבות Cu זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2i, מ ')
    1. הנח את הדוגמא במרכזו של בעל מדגם מאייד E-קורה.
    2. כבה את הסיבוב של המדגם בשנת המאייד-קרן E.
    3. להפקיד רובד 5 ננומטר Cr על מדגם לפעול כנדבך הדבקה בין אל 2 O 3 ו Cu. השתמש תהליך אידוי קורה אלקטרוני ללא רוטציה מדגמת.
    4. הפקדה של 10 ננומטר Cu על גבי שכבת Cr קיימת באמצעות תהליך אידוי הקורה אלקטרוני ללא רוטציה המדגם שכבת זרע עבור אלקטרוליטי Au.
  2. Electroplating סרט Au הדק (איור 2J, n)
    1. חבר את המדגם (שכבת זרע Cu) למסוף השלילי של מד המקור באמצעות מהדק חוט. במקרה זה, המדגם הוא האנודה במהלך תהליך אלקטרוליטי.
    2. חבר הקתודה Pt להדק החיובי של מד המקור.
    3. לצלול הוא קתודת Pt ו Cu Anodדואר בפתרון אלקטרוליטי Au. שמור את שתי אלקטרודות זה מול זה, תוך שמירת מרחק של ס"מ 1 ~.
    4. הפעל את מקור מטר ולהקים מתח קבוע של 1.35 V ו- Electroplate Au על המדגם במשך 16 דקות.
    5. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.
    6. בדוק את Au electroplated ואת מערך nanopillar electroplated Au בעבר תחת מיקרוסקופ.
    7. מדוד את עובי של nanopillars Au עם profilometer (עובי של nanopillars Au הוא ~ 400 ננומטר).
      הערה: בדומה אלקטרוליטי Au בסעיף 1.2.2, הגדרת זרם קבועה יכולה לשמש גם כדי Electroplate Au סרט דק. בשני המתח הקבועים קופץ סט זרם קבוע, המתח הנוכחי והאידיאלי המשמש אלקטרוליטי Au יכול להיות מושגת על ידי ניסוי וטעייה.
  3. הסרת שכבות Cr ו Cu (איור 2k, טו)
    1. לצלול מדגם etchant Cu עבור 10 שניות.
    2. יש לשטוף את המדגם עם מים דיד מכה-יבשה עם רובה אוויר.
    3. בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ.
    4. לצלול מדגם etchant מסכת Cr עבור 10 שניות.
    5. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.
    6. בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ.
      הערה: לחילופין, להטביע את המדגם בפתרון אלקטרוליטי Au שוב להפקיד שכבה נוספת של Au על גבי שכבת Au electroplated השני לאחר הסרת Cr ו Cu (שלב 3.3). שכבה נוספת Au זה מגדיל את העובי הכולל של שכבת Au השני ומבטיח קשר טוב בין שכבת Au ואת השכבה אל 2 O 3 (איור 2i, עמ ').

4. הגדרת SRR C-צורה (איור 2Q-ים ואיור 2U-w)

  1. דפוסים SRR C-צורה (איור 2Q, u)
    1. ספין מעיל photoresist על מדגם ב -2,000 סל"ד במשך 60 שניות.
    2. אופים את המדגם על צלחת חמה של 115 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות.
      3. 2) עם photomask Cr עבור 22 s.
    3. פיתוח עם יזם עבור 90 s עם תסיסה.
    4. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-לייבש את המדגם עם רובה אוויר.
  2. הגדרת C-צורה בעזרת שהסיכויים (איור 2 יח ', נ' ואיור 2s, w)
    1. צרף המדגם על בעל מדגם שסיכויים באמצעות קלטת מוליך דו צדדית Cu.
    2. לקרר את תא שהסיכויים עד 6 מעלות צלזיוס.
    3. יון טחנת המדגם עם מתח הקורה של 300 וולט ו זרם הקורה של 125 מילי-אמפר עבור ~ 30 דקות.
    4. קח את המדגם ולבדוק את nanopillars Au מחוץ בצורת C.
    5. חזור על שלב 4.2.3 ו 4.2.4 אם Au עדיין גלוי מחוץ בצורת C.
    6. Sonicate המדגם אצטון כדי להסיר את photoresist.
    7. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.
    8. בדוק את הדגימה תחת מיקרוסקופ.
    9. חזור על שלב 4.2.6 ו -4.2.7 אם photoresist לא יוסר לחלוטין.
      הערה: לחלופין, חל חמצן להתנגד ריכוך מדרגות אל photoresist לפני הסרת photoresist. עם זאת, אמבטיה sonication היא השיטה היעילה ביותר להסיר photoresist אם זה אפשרי.

הסרת 5. אל 2 O 3 עבור האוויר ננו-פערים (2t איור, x)

  1. לצלול המדגם מימן פלואורי 5% פתרון (HF) במשך 5 דקות כדי להסיר אל 2 O 3.
  2. יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

תוכניות ייצור להראות כל שלב (-x איור 2 א). התמונות אופטי (איור 2Y-AC) ו מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) תמונות (איור 2ad-AG) נאספו עבור SRRs מבוססי nanopillar ב צעדים בדיה שונים. אנימציות (איור 2 א-ג) להמחיש את השכבה הראשונה של nanopillars Au electroplated והרובד השני של סרטים Au electroplated וכן ננו-הפערים שנוצרו ביניהם. איור 2 מציג את ערכת החתך של SRRs מבוסס nanopillar בשני אל 2 O 3-פערי ננו-פערי ננו אוויר. תמונות SEM נאספו עבור מערך SRR מבוסס nanopillar ופערי ננו-הסקאלה שבין nanopillars Au (איור 2af, 2ag, 3E-ח). שני ספקטרום השידור המדומה ומדד של הדגימות עם פערים ננו 3 אל 2 O ו-פערי ננו אוויר הוצג (איור 3i-יב).

jove_content "FO: keep-together.within-page =" 1 "> איור 1
איור 1: איור של SRRs מבוסס nanopillar בתיווך זרם העתק. (A, b) נוכחי תזוזה (אני ד) נגרם בין שתי לוחיות מתכת ושני nanopillars על ידי שדות חשמליים E. (ג) סכמטי של SRRs מבוסס nanopillar שהוגדר על ידי אלף nanopillars Au (H: גובה nanopillar, ת: מול האזור; ד: גודל פער ננו; l: רוחב nanopillar ו ε: permittivity ב-פערי ננו) . (ד) Q פקטור של SRR מבוסס סרט דק ו SRR מבוסס nanopillar. A Q פקטור של כ 450 יכול להיות מושג עם SRR מבוסס nanopillar עם גודל ננו-פער של 10 ננומטר. הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12. ig1large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2: תוכניות ייצור של SRRs מבוסס nanopillar. (א - t) אנימציה 3D ו-חתך שרטוטים של תהליך הייצור של SRRs מבוססי nanopillar. (Y - AC) תמונות אופטיות של SRRs מבוסס nanopillar ב צעדים בדיה שונים. (אד - AG) SEM תמונות של SRRs מבוסס nanopillar ב צעדים בדיה שונים וכן 5 ננומטר אל 2 O 3 פערים (AG). הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

FO: keep-together.within-page = "1"> איור 3
איור 3: אפיונים של SRRs מבוסס nanopillar. (א - ד) תוכניות ייצור של SRRs מבוסס nanopillar. (ה - ח) SEM תמונות של SRRs מבוסס nanopillar. (I) ספקטרום שידור סימולציה של אל 2 O 3 SRRs ננו-הפער מבוסס nanopillar. (י) ספקטרום שידור מדודה של אל 2 O 3 SRRs ננו-הפער מבוסס nanopillar. (יא) ספקטרום שידור סימולציה של SRRs אוויר ננו-הפער מבוסס nanopillar. (יב) נמדד ספקטרום שידור של אוויר ננו-פער SRRs מבוסס nanopillar. הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. </ A>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

יש טכניקת ייצור זו יתרונות משמעותיים ליצירת מבנים בקנה מידה ננו פני שיטות קיימות כגון ליתוגרפיה E-הקורה הרכבה עצמית. ראשית, מבנים בקנה מידה ננו יכול להתממש על פני שטח גדול (רקיק כולו) באמצעות photomask כי תכונות מערכים nanopillar, אשר אינה מעשית עם תהליך ליתוגרפיה E-הקורה. שנית, תהליך הייצור משתמש בתהליך ייצור מייקרו מסורתי רקיק מידה גדול, וזה הרבה יותר מהר, פשוט יותר, זול יותר לעומת ליתוגרפיה E-קורה. שלישית, בקנה המידה האטומה פערי ננו ניתן ליצור בקלות על ידי תהליך ילד עם גדלי תכונה לשלוט באופן מדויק.

evaporations Cr ו Cu הקורה אלקטרוני ללא רוטציה מדגם לאפשר Cr ו Cu בתצהיר ישירות על גבי המצע עם בתצהיר דפנות ממוזער. זוהי פעולה הכרחית עבור תהליך אלקטרוליטי Au הבאות בגלל Au ניתן electroplated רק על שכבת זרע Cu המחובר מד המקור. מאז שכבת Cu ים על גבי nanopillars Au מנותקים עם שכבת Cu על פני המצע, Au לא ניתן electroplated על פני המצע. איכות ועובי Au electroplated תלוי מתח אלקטרוליטי / הנוכחי והזמן אלקטרוליטי. מתח / זרם גבוה יותר מוביל בשיעור בתצהיר גבוה. עם זאת, מתח / זרם גבוה גם יכול לגרום בתצהיר איכות נמוכה Au. Electroplated Au עם איכות נמוכה יש מוליכות חשמלית נמוכות בהשוואה לחומר Au סטנדרטי כמו גם המון חללי Au, אשר מפחית את עוצמת זרם ההעתק שמופץ SRR, שמוביל להתנהגות תהודה חלשה גודל נמוך של פסגות התהודה . לכן, זרם / מתח מתאים חיוני להשגת nanopillars Au באיכות גבוהה. זמן מתח / זרם Electroplating גם צריכים להיות מבוקר בדיוק כדי לוודא כי העובי של סרט Au הדק (השכבה השנייה של Au) הוא פחות מזה של nanopillars Au (השכבה הראשונה של Au).

"jove_content"> 100 מחזורים של אלד יכול להשיג כ -10 ננומטר שכבה עבה אל 2 O 3 משני המצע Si ואת הצדדיים של nanopillars Au. השיעור בתצהיר והאיכות של 3 אל 2 O שהופקדו על ידי תלד תלויה בטמפרטורת התגובה בתוך החדר. טמפרטורת תגובה של מעל 200 מעלות צלזיוס מומלצת להשיג איכות גבוהה אל 2 O 3 סרטים. מספר המחזור והטמפרטורה ניתן לשלוט באופן מדויק כדי להשיג שכבה אל 2 O 3 עם לעובי רצוי. גודלו של הפערים-ננו (3H איור) הוא קריטי להשגה-גורמי Q גבוהים של SRRs מבוסס nanopillar. גידול של גודל ננו-פער מגדיל את אגירת האנרגיה בתוך-פערי ננו, מה שמוביל Q פקטור גבוה. עם זאת בגודל של פערי ננו לא ניתן להגדיל ללא הגבלה. כאשר בגדלים ננו-הפער יעלה על 50 ננומטר, זרם ההעתק בין nanopillars Au יורדת באופן דרמטי ואינו מסוגל לעבור דרך nano-פערים, מוביל היעלמות תגובות התהודה. בנוסף, אם הגודל של הוא ננו-פערים 3 אל 2 O פחות מ -2 ננומטר, מתח אלקטרוליטי להפקדה Au יכול התמוטטות המכשול דיאלקטרי (Al 2 O 3-פערים ננו), וכתוצאה מכך התנהגות לא הוגנת בין nanopillars Au ו פתרון אלקטרוליטי Au, אשר מוביל שכבת Au שנייה electroplated על גבי nanopillars Au (שכבת זהב ראשונה). מגבלה זו מובילה הקושי להשיג דקים אל 2 O 3 פערים בלי לשבור את מחסום דיאלקטרי בין nanopillars Au.

שיטת אלמנטים סופית (פאם) שמשה כדי לדמות את SRRs (איור 3i ו 3k). שלוש פסגות תהודה בספקטרום שידור ידועים כמו (1 st) במצב הראשון, השני (2 nd) במצב, והשלישי (3 rd) במצב של SRR. ספקטרום השידור של SRRs מבוסס nanopillar עם 10 ננומטר אל 3 פערים 10 מרווחי האוויר ננומטר נמדדו באמצעות THz תחום בזמן ספקטרוסקופיה (איור י 3 ו 3L). כל ספקטרום שידור המדודה תואם לנתונים המדומים, מה שמוכיח כי SRRs המפוברק מבוסס nanopillar לפגוש את העיצוב הצפוי.

השילוב של סרטים דקים מתכת רציפות פערים ננו בהיקף דיאלקטרי לספק מבנים לאחסון אנרגיה יותר לעומת SRRs סרט מבוסס המסורתי, שתוצאתה הגבוהה במיוחד Q-גורמים סביב 450 (יותר מ -45 פעמים גבוהות יותר מאשר Q הפקטור של SRRs סרט דק המבוסס המסורתי) משמר בתדירות גדולה (כ -17 פעמים גדולות יותר שינוי התדר של SRRs הרזה המבוסס-סרט). טכניקת הייצור הייחודית המוצגת פקה זו מאפשרת הייצור של אלף SRRs להרכיב nanopillar על פני שטח גדול. מאז היווצרות nanopillars Au בעיקר מגדילה את שטח פנים של SRRs ומספר ההימור פערים בקנה מידה ננוAu nanopillars Ween משפר את סכום אחסון האנרגיה (מטענים חשמליים), אולטרה-גבוהה Q-גורמים יכולים להיות מושגת מובילה רגישות גבוהה. בנוסף, החומרים להחיל את SRRs מבוסס nanopillar מוצגים בתוך הפערים-ננו לתרום שינויי permittivity של-פערי ננו, וכתוצאה מכך משמר בתדירות גדולה של SRRs מבוסס nanopillar, מה שמוביל סלקטיביות גבוהה. כך SRRs מבוסס nanopillar מפוברק באמצעות Au אלקטרוליטי וטכניקות תלדנה הם אידיאליים עבור כימי חריף מאוד יחידות חישת biomolecular.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

החוקרים אין לי מה לחשוף.

Acknowledgments

חומר זה מבוסס על עבודה נתמך על ידי קרן הזנק באוניברסיטת מינסוטה, ערים תאומות. חלקים של עבודה זו בוצעו במתקן אפיון, מאוניברסיטת מינסוטה, חבר של רשת מתקני מחקר חומרים במימון NSF (www.mrfn.org) באמצעות תוכנית MRSEC. חלק על עבודה זו בוצעה במרכז ננו מינסוטה המקבלת תמיכה חלקית מן NSF באמצעות תוכנית NNCI.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silicon Wafer Siltronic AG N/A 100 mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 Ω•cm
Chromium Kurt J. Lesker Company EVMCR35J 99.95% pure
Copper Kurt J. Lesker Company EVMCU40QXQJ 99.99% pure
E-Beam Evaporator System Rocky Mountain Vacuum Tech. N/A RME-2000
S1813 Positive Photoresist Microposit 10018348 N/A
Spinner Best Tools S0114031123 SMART COATER 100
Mask Aligner Midas MDA-400LJ N/A
Digital Hot Plate Thermo Scientific HP131725 Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 °C
MF319 Developer Microposit 10018042 N/A
Acetone Fisher Chemical A18P-4 N/A
Isopropyl Alcohol Fisher Chemical A416-4 N/A
Gold 25 ES RTU Technic Inc. 391427 N/A
Source Meter Keithley N/A 2612 System SourceMeter
Microscope Omax NJF-120A N/A
Profilometer Tencor Instruments N/A Alpha-Step 200
APS Copper Etchant 100 Transfene Company, Inc. N/A N/A
CE-5 M Chromium Mask Etchant Transfene Company, Inc. N/A N/A
Atomic Layer Deposition System Cambridge Nano Tech inc. N/A Savannah series
Ion Mill Etching System Intlvac Thin Film N/A Nanoquest series
Ultrasonic Cleaner Crest Ultrasonics N/A Powersonic series
Hydrofluoric Acid Sigma-Aldrich 244279 Diluted to 5%
Field Emission Gun Scanning Electron Microscope Jeol Ltd. N/A JEOL 6700 series

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Xu, X., et al. Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing. Nano Lett. 11 (8), 3232-3238 (2011).
  2. Singh, R., Cao, W., Al-Naib, I., Cong, L., Withayachumnankul, W., Zhang, W. Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces. Appl. Phys. Lett. 105 (17), 171101 (2014).
  3. Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
  4. Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
  5. Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
  6. Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
  7. Melik, R., Unal, E., Perkgoz, N. K., Puttlitz, C., Demir, H. V. Flexible metamaterials for wireless strain sensing. Appl. Phys. Lett. 95 (18), 181105 (2009).
  8. Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
  9. Chiam, S., Singh, R., Gu, J., Han, J., Zhang, W., Bettiol, A. A. Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators. Appl. Phys. Lett. 94 (6), 064102 (2009).
  10. Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
  11. Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
  12. Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
  13. Huang, M., Zhao, F., Cheng, Y., Xu, N., Xu, Z. Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation. Opt. Express. 16 (23), 19354-19365 (2008).
  14. Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
  15. Isaacson, M., Muray, A. Insitu vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams. J. Vac. Sci. Technol. 19 (4), 1117-1120 (1981).
  16. Yang, J. K., et al. Understanding of hydrogen silsesquioxane electron resist for sub-5-nm-half-pitch lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2622-2627 (2009).
  17. Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
  18. Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
  19. Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
  20. Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
  21. Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
  22. Kitching, H., Shiers, M. J., Kenyon, A. J., Parkin, I. P. Self-assembly of metallic nanoparticles into one dimensional arrays. J. Mater. Chem. A. 1 (24), 6985-6999 (2013).
  23. Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
  24. Caswell, K., Wilson, J. N., Bunz, U. H., Murphy, C. J. Preferential end-to-end assembly of gold nanorods by biotin-streptavidin connectors. J. Am. Chem. Soc. 125 (46), 13914-13915 (2003).
  25. Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
  26. Nie, Z., Fava, D., Kumacheva, E., Zou, S., Walker, G. C., Rubinstein, M. Self-assembly of metal-polymer analogues of amphiphilic triblock copolymers. Nat. Mater. 6 (8), 609-614 (2007).
  27. Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
  28. Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).

Tags

הנדסה גיליון 121 metamaterials terahertz תהודת טבעת פיצול זרם העתק nanopillar גורם איכות פער ננו
המצאה של מהודי טבעת פיצול Nanopillar מבוסס על התזוזה נוכחית מתווכת רזוננסים ב Metamaterials Terahertz
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Liu, C., Schauff, J., Lee, S., Cho,… More

Liu, C., Schauff, J., Lee, S., Cho, J. H. Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. J. Vis. Exp. (121), e55289, doi:10.3791/55289 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter