Waiting
Login processing...

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

Engineering

Tillverkning av Nanopillar-Based delad ring resonatorer för förskjutningsström medierade resonanser i terahertz Metamaterial

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

Summary

Ett protokoll för konstruktion och tillverkning av en ny nanopillar baserad delad ring resonator (SRR) presenteras.

Abstract

Terahertz (THz) delad ring resonator (SRR) metamaterial (MMS) har studerats för gas, kemisk och biomolekylära analystillämpningar eftersom SRR inte påverkas av miljöegenskaper såsom temperatur och tryck som omger resonatorn. Elektromagnetisk strålning i THz frekvenser är biokompatibel, vilket är ett kritiskt tillstånd, särskilt för tillämpning av den biomolekylära avkänning. Emellertid kvalitetsfaktorn (Q-faktor) och frekvenssvar av traditionell tunnfilms baserad delad ring resonator (SRR) MMS är mycket låga, vilket begränsar deras känslighet och selektivitet som sensorer. I detta arbete, nya nanopillar baserad SRR MMS, som utnyttjar förskjutningsström, är utformade för att öka Q-faktor upp till 450, vilket är cirka 45 gånger högre än för traditionella tunnfilmsbaserade MMS. Förutom den förbättrade Q-faktor, de nanopillar baserade MMS inducera större frekvensskift (17 gånger jämfört med förskjutningen erhålles genom traditionenal tunnfilmsbaserade MMS). På grund av de avsevärt förbättrade Q-faktorer och frekvensskift samt egendom biokompatibla strålning, THz nanopillar baserade SRR är idealiska MMS för utveckling av biomolekylära sensorer med hög känslighet och selektivitet utan att inducera skador eller snedvridning biomaterial. En ny tillverkningsprocess har visats för att bygga de nanopillar baserade SRRS för förskjutningsström medierade THz MMS. En två-steg guld (Au) galvanisering process och ett atomlager nedfall (ALD) process används för att skapa under 10 nm skala mellanrum mellan Au nanopillars. Eftersom ALD processen är en konform beläggningsprocess, en enhetlig aluminiumoxid (Al 2 O 3) skikt med nanometerskala tjocklek kan uppnås. Genom att sekventiellt galvanisering annan Au tunn film för att fylla utrymmena mellan Al 2 O 3 och Au, en tätpackad Au-Al 2 O 3 au struktur med nano-skala Al 2 O 3 luckor kan varatillverkas. Storleken på nano luckor kan vara väl definierade genom att exakt styra deponerings cykler av ALD process, som har en noggrannhet på 0,1 nm.

Introduction

Terahertz (THz) metamaterial (MMS) har utvecklats för biomedicinska sensorer och frekvens-agile anordningar 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. För att förbättra känsligheten och frekvens selektivitet av THz MM sensorer har en nanopillar baserad delad ring resonator (SRR) har konstruerats med hjälp av förskjutningsström som genereras i guld (Au) nanopillar arrayer att excitera THz resonanser med ultrahög kvalitetsfaktorer ( Q-faktorer) (~ 450) (Figur 1) 12. Även om nanopillar baserade SRRS visar höga Q-faktorer och lovande sensor förmågor, tillverkning av sådana nanostructures med hög bildformat (mer än 40) och nanoskala luckor (sub-10 nm) över ett stort område är fortsatt utmanande 13.

Den vanligast använda tekniken för att tillverka nanoskala strukturer är elektron-strålelitografi (EBL) 14, 15, 16, 17. Men upplösningen av EBL fortfarande begränsad på grund av strålens punktstorlek, elektron spridning, egenskaper hos motstånd, och utvecklingsprocessen 18, 19. Dessutom är det inte praktiskt att tillverka nanostrukturer med hjälp av EBL över ett stort område på grund av en långsam process tid och stora processkostnader 20. En annan strategi för att uppnå nanostrukturer är att använda en självmonteringsteknik 21, 22. Genom självsamlande metall nanocubes (NCS) i en lösning och utilizing den elektrostatiska växelverkan och föreningen av polymera ligander mellan NCS kan en välorganiserad endimensionell NC array med nanoskala luckor uppnås 23. Nano-gapstorleken beror på polymerligander mellan NCS och kan styras genom att använda olika polymermaterial med olika molekylvikter 24, 25, 26. Självorganisering är en kraftfull teknik för att uppnå skalbara och kostnadseffektiva nanostrukturer 23. Dock är tillverkningsprocessen mer komplicerat jämfört med konventionella mikro- och nanotillverkningsprocesser och kontroll av nanospaltstorlekar är inte tillräckligt exakt för elektroniska applikationer enhet. För att framgångsrikt tillverka nanopillar baserade SRRS, bör en ny tillverkningsmetod uppfinnas för att uppnå följande mål: i) tillverkningsprocessen är lätt att applicera och är kompatibel med konventionenal mikro- och nanotillverkningsprocesser; ii) tillverkning över ett stort område är tillämplig; iii) nano-gap storlekar kan enkelt och exakt kontrolleras med en 0,1 nm upplösning och kan skalas ner till 10 nm eller mindre.

En ny tillverkningsmetod visas med användning av kombinationen av en elektropläteringsprocess och ett atomskikt deponering (ALD) process för att fabricera nanopillar baserade SRRS. Eftersom galvanisering är en självfyllande process med låg kostnad, är det lätt att tillverka strukturer över ett stort område. ALD är en kemisk förångningsdeposition (CVD) process som kan styras exakt av reaktionscykeln under processen. Upplösningen hos ALD tunn film kan vara 0,1 nm, och den tunna filmen är jämnt belagd med en hög kvalitet, som är lämplig för att skapa nanoskala gapen 27, 28. Nanopillar baserade SRR array med 10 nm mellanrum eller mindre framgångsrikt kan tillverkas över ett område på 6 mm x 6 mm. båda ärimulated och uppmätta THz transmissionsspektra visar resonans beteenden med ultrahög Q-faktorer och stora frekvensförskjutningar, vilket bevisar möjligheten av nanopillar baserade SRRS förmedlas av förskjutningsström. Den detaljerade tillverkningsprocess beskrivs nedan i protokollet avsnittet och videoprotokollet kan hjälpa utövare att förstå tillverkningsprocessen och undvika vanliga misstag i samband med tillverkning av nanopillar baserade SRRS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Varning: Flera av de kemikalier som används i dessa synteser är giftiga, mycket brandfarliga och kan orsaka irritation och allvarliga skador organ vid beröring eller inandning. Vänligen bära lämplig personlig skyddsutrustning (PPE) vid hantering.

1. Framställning av det första lagret av guld (Au) Nanopillar matriser (figur 2a-c och figur 2e-g)

  1. Framställning av koppar (Cu) Seed lager för Au galvanisering (Figur 2a, b och figur 2e, f)
    1. Använda en 4 "hög resistivitet kisel (Si) wafer. (Resistivitet: 560-840 Ω · cm) som substrat Si wafer är N-typ dopad och poleras på en sida (figur 2a, e).
    2. Skär Si rånet i 2 cm x 2,5 cm bitar för senare användning.
    3. Deponera en 5 nm krom (Cr) skikt på Si prov med användning av en elektronstråle (E-stråle) förångningsprocess såsom ett vidhäftningsskikt mellan Si och Cu.
    4. Deponera en 10 nm Cu-lager ovanpå den befintliga Cr-skiktet med användning av enE-beam förångningsprocess som anrikningslagret för Au bordläggningen (figur 2b, f).
  2. Elektroplätering Au nanopillar array (Figur 2c, g)
    1. Mönstring av nanopillar array
      1. Spin päls fotoresist på det prov som beretts i avsnitt 1.1 vid 2000 rpm under 60 s.
      2. Baka provet på en varm platta vid 115 ° C under 60 s.
      3. Exponera fotoresisten under ultraviolett (UV) -ljus (makt ~ 15 mW / cm 2) med en Cr fotomask som innehåller tusentals nanopillar mönster för 22 s.
      4. Utveckla med en utvecklare under 90 s med agitation.
      5. Skölj provet med avjoniserat (DI) vatten och blås-torkning av provet med en luftpistol.
    2. Elektroplätering Au nanopillar array
      1. Ta bort den övre delen av fotoresisten på provet med aceton för att exponera Cu anrikningslagret för elektrodanslutning.
      2. Anslut samPLE (Cu anrikningslagret) till den negativa polen på en källa meter med hjälp av en klämma och en tråd. I detta fall är provet anoden under elektropläteringsprocessen.
      3. Ansluta en bit av platina (Pt) belagda Si (samma storlek som provet) till den positiva polen hos källan mätaren. Pt är katoden under elektropläteringsprocessen.
      4. Dränka både Pt katoden och Cu anod i Au elektropläteringslösning. Hålla de två elektroderna vända mot varandra med ett avstånd av ~ 1 cm.
      5. Slå på källan mätaren och levererar en konstant spänning av 1,12 V. GALVANI Au på provet under 8 minuter (avsättningshastigheten: ~ 100 nm / min).
      6. Skölj provet med DI-vatten, följt av aceton för att avlägsna fotoresisten.
      7. Skölj provet med DI vatten igen och föna med en luftpistol.
      8. Inspektera elektropläterade Au nanopillar array under ett mikroskop.
      9. Mät tjockleken på Au nanopillars med en profilometer (Tjockleken påAu nanopillars är ~ 800 nm).
        OBS: Konstant ström set-up kan också användas för att elektroplätera Au nanopillars. I både konstant spänning och konstant ström uppställningar, kan den ideala ström och spänning som används för Au elektroplätering uppnås genom trial and error.

2. Skapande av Nano-gap mellan Au Nanopillars (figur 2d, h)

  1. Borttagning av Cr och Cu lager
    1. Sänk provet i Cu etsmedel tills Cu färgen försvinner.
    2. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.
    3. Inspektera Au nanopillars under ett mikroskop.
    4. Sänk provet i Cr mask etsmedel för 10 s.
    5. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.
    6. Inspektera Au nanopillars under ett mikroskop.
  2. Tillverkning av nanoskala aluminiumoxid (Al 2 O 3) luckor
    1. Värm ALD systemet chamBer till 200 ° C.
    2. Placera provet i centrum av kammaren.
    3. Pumpa ned kammaren till ett vakuum och ställa in cykelantalet till 100 (avsättningshastighet: ~ 1 Å / cykel).
    4. Sekventiellt och alternativt puls trimetylaluminium (TMA) gas med en tidsperiod av 0,015 s och vatten (H2O) ånga med en tidsperiod av 0,015 s in i kammaren för att enhetligt avsätta Al 2 O 3 lager på provet. Tidsskillnaden mellan varje puls är 5 s. Kammartrycket under TMA pulsen är 10 Torr och trycket under H2O ånga pulsen är 2 Torr.
    5. Rensa och vakuum kammaren mellan varje cykel av nedfall. Värde Al 2 O 3 för 100 cykler och ta ut provet från kammaren.
    6. Mäta tjockleken av ALD Al 2 O 3 med hjälp av en ellipsometer.

3. Framställning av det andra lagret av en Au Thin Film (Figur 2i-l och figur 2m-p)

  1. Framställning av Cu Seed skikt för Au galvanisering (Figur 2i, m)
    1. Placera provet i centrum av en E-stråle förångare provhållaren.
    2. Stänga av rotation av provet i elektronstrålestare.
    3. Deponera en 5 nm Cr-skikt på provet för att fungera som ett vidhäftningsskikt mellan Al 2 O 3 och Cu. Använd en elektronstråle förångningsprocess utan prov rotation.
    4. Deposition 10 nm Cu ovanpå den befintliga Cr-skiktet med hjälp av en elektronstråle förångningsprocess utan prov rotation som anrikningslagret för Au galvanisering.
  2. Elektroplätering Au tunn film (Figur 2j, n)
    1. Anslut prov (Cu anrikningslagret) till minuspolen på käll meter med hjälp av en klämma och en tråd. I detta fall är provet anoden under elektropläteringsprocessen.
    2. Anslut Pt katoden till den positiva polen hos källan mätaren.
    3. Dränka både Pt katoden och Cu anode i Au galvanisering lösning. Hålla de två elektroderna vända mot varandra med ett avstånd av ~ 1 cm.
    4. Slå på källan meter och ställa in konstant spänning på 1,35 V och elektroplätera Au på provet under 16 minuter.
    5. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.
    6. Inspektera elektropläterat Au och tidigare elektropläterade Au nanopillar array under ett mikroskop.
    7. Mät tjockleken på Au nanopillars med en profilometer (Tjocklek på Au nanopillars är ~ 400 nm).
      OBS: I likhet med Au galvanisering i avsnitt 1.2.2, kan konstant ström set-up också användas för att elektroplätera Au tunn film. I både konstant spänning och konstant ström uppställningar, kan den ideala ström och spänning som används för Au elektroplätering uppnås genom trial and error.
  3. Avlägsnande av Cr och Cu-skikten (figur 2k, o)
    1. Sänk provet i Cu etsmedel under 10 s.
    2. Skölj provet med DI vatten end föna med en luftpistol.
    3. Inspektera Au nanopillars under ett mikroskop.
    4. Sänk provet i Cr mask etsmedel för 10 s.
    5. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.
    6. Inspektera Au nanopillars under ett mikroskop.
      OBS: Alternativt dränka provet i Au elektropläteringslösning igen för att sätta in ett extra lager av Au ovanpå det andra elektropläterade Au skikt efter avlägsnande av Cr och Cu (steg 3,3). Denna extra Au skikt ökar den totala tjockleken hos det andra Au skiktet och säkerställer god kontakt mellan Au skiktet och Al 2 O 3 skikt (Figur 2i, p).

4. Definition av C-form SRR (Figur 2q-s och figur 2u-w)

  1. Mönstring av C-form SRR (Figur 2q, u)
    1. Spin belägga en fotoresist på provet vid 2000 rpm under 60 s.
    2. Baka provet på varm platta med 115 ° C under 60 s.
      3. 2) med en Cr fotomasker för 22 s.
    3. Utveckla med en utvecklare under 90 s med agitation.
    4. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna provet med en luftpistol.
  2. C-form definition med hjälp av jon kvarn (figur 2R, v och figur 2s, w)
    1. Fäst provet på en jon kvarn provhållare med dubbelhäftande Cu ledande tejp.
    2. Kyla ned jon kvarnkammaren till 6 ° C.
    3. Ion kvarn provet med en stråle spänning på 300 V och en strålström av 125 mA för ~ 30 min.
    4. Ta ut provet och inspektera Au nanopillars utanför C-formen.
    5. Upprepa steg 4.2.3 och 4.2.4 om Au är fortfarande synliga utanför C-formen.
    6. Sonikera provet i aceton för att avlägsna fotoresisten.
    7. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.
    8. Inspektera provet under ett mikroskop.
    9. Upprepa steg 4.2.6 och 4.2.7 om är fotoresist inte helt bort.
      OBS: Alternativt gäller syre motstå mjukgörande steg till fotoresisten innan du tar bort fotoresisten. Emellertid är en sonikering bad den mest effektiva metoden för att avlägsna fotoresist om tillämpligt.

5. Borttagning av Al 2 O 3 för Air Nano luckor (Figur 2T, x)

  1. Dränka provet i 5% vätefluorid (HF) lösning under 5 minuter för att avlägsna Al 2 O 3.
  2. Skölj provet med avjoniserat vatten och föna med en luftpistol.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fabrication system visar varje steg (figur 2a-x). Optiska bilder (Figur 2y-ac) och svepelektronmikroskop (SEM) bilder (Figur 2AD-ag) samlades för nanopillar baserade SRRS vid olika tillverkningssteg. Animationer (figur 2a-c) illustrerar det första lagret av elektropläterade Au nanopillars och det andra skiktet av elektropläterade Au filmer samt de nano luckor som skapats mellan dem. Figur 2d visar tvärsnittet system för nanopillar baserade SRRS med både Al 2 O 3 nano luckor och flygnano luckor. SEM-bilder samlades för nanopillar baserade SRR array och nanoskala gap mellan Au nanopillars (Figur 2AF, 2AG, 3e-h). Både simulerad och uppmätt transmissionsspektra av proven med Al 2 O 3 nano luckor och flygnano luckor visades (Figur 3i-l).

jove_content "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 1
Figur 1: Illustration av nanopillar baserade SRRS förmedlas av förskjutningsström. (A, b) Deplacement ström (I d) inducerade mellan två metallplattor och två nanopillars av elektriska fält E. (C) Schematisk bild av nanopillar baserade SRRS definieras av tusentals Au nanopillars (H: höjd nanopillar, A: vänd område; d: nano-spaltbredd, l: bredd nanopillar och ε: dielektricitetskonstant i nano luckor) . (D) Q-faktor tunnfilmsbaserade SRR och nanopillar baserade SRR. En Q-faktor på omkring 450 kan åstadkommas med en nanopillar baserad SRR med en nano-gapstorlek av 10 nm. Figuren är anpassad med tillstånd från Advanced Optical Materials 12.ig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 2
Figur 2: Fabrication system för nanopillar baserade SRRS. (A - t) 3D animation och tvärsnitts scheman av tillverkningsprocessen av nanopillar baserade SRRS. (Y - ac) Optiska bilder av nanopillar baserade SRRS vid olika tillverkningssteg. (Ad - ag) SEM bilder av nanopillar baserade SRRS vid olika tillverkningssteg samt en 5 nm Al 2 O 3 luckor (ag). Figuren är anpassad med tillstånd från Advanced Optical Materials 12. Klicka här för att se en större version av denna siffra.


Figur 3: karakteriseringar av nanopillar baserade SRRS. (A - d) Fabrication system för nanopillar baserade SRRS. (E - h) SEM bilder av nanopillar baserade SRRS. (I) Simulerad transmissionsspektra av Al 2 O 3 nano-gap nanopillar baserade SRRS. (J) Uppmätt transmissionsspektra av Al 2 O 3 nano-gap nanopillar baserade SRRS. (K) Simulerad transmissionsspektra av luft nano-gap nanopillar baserade SRRS. (L) Uppmätt transmissionsspektra av luft nano-gap nanopillar baserade SRRS. Figuren är anpassad med tillstånd från Advanced Optical Materials 12. Klicka här för att se en större version av denna siffra. </ A>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denna tillverkningsteknik har betydande fördelar för att skapa nanoskala strukturer över existerande metoder såsom elektronstrålelitografi och självorganisering. För det första kan nanoskala strukturer realiseras över ett stort område (en hel skiva) med användning av en fotomask som funktioner nanopillar arrayer, vilket inte är praktiskt med en E-strålelitografi process. För det andra använder tillverkningsprocessen en traditionell skivskala mikrotillverkningsprocess, vilket är mycket snabbare, enklare och billigare jämfört med elektronstrålelitografi. För det tredje, kan atomnivå nano luckor lätt skapas genom en ALD process med exakt styrda funktionsstorlekar.

Cr- och Cu E-beam indunstningar utan prov rotation tillåter Cr och Cu nedfall direkt på substratet med minimerade sidovägg avsättning. Detta är avgörande för följande Au elektropläteringsprocessen eftersom Au endast kan elektropläteras på Cu anrikningslagret som är ansluten till källan mätaren. Eftersom Cu-lagrets ovanpå Au nanopillars kopplas bort med Cu skikt på substratet, kan Au inte elektropläteras på substratet. Kvaliteten och tjockleken hos den elektropläterade Au bero på galvanisering spänning / ström och galvanisering tiden. Högre spänning / ström leder till en hög avsättningshastighet. Däremot kan hög spänning / ström också resultera i låg kvalitet Au nedfall. Elektropläterat Au med låg kvalitet har en lägre elektrisk ledningsförmåga jämfört med standard Au material såväl som massor av tomrum i Au, vilket minskar intensiteten av förskjutningsströmmen som cirkulerar SRR, vilket leder till en svag resonansbeteende och en nedre storleken hos resonanstoppar . Därför är viktigt för att uppnå hög kvalitet Au nanopillars en lämplig spänning / ström. Galvanisering tid och spänning / ström bör också noggrant kontrolleras för att se till att tjockleken på Au tunna filmen (det andra skiktet av Au) är mindre än den hos Au nanopillars (det första lagret av Au).

2 O 3 skikt på både Si-substratet och sidoväggarna AU nanopillars. Avsättningshastigheten och kvaliteten hos den Al 2 O 3 deponerats av ALD beror på reaktionstemperaturen inuti kammaren. En reaktionstemperatur av över 200 ° C rekommenderas att uppnå hög kvalitet Al 2 O 3 filmer. Cykelnumret och temperatur kan styras exakt för att erhålla Al 2 O 3 skikt med önskad tjocklek. Storleken på nano luckor (figur 3H) är avgörande för att uppnå höga Q-faktorer för nanopillar baserade SRRS. En ökning med nano gapstorlek ökar energilagring inuti nano gapen, vilket leder till en hög Q-faktor. Emellertid storleken på nano luckorna kan inte ökas utan begränsning. När nano-gap storlekar överstiger ca 50 nm, droppar förskjutningsströmmen mellan Au nanopillars dramatiskt och är oförmögen att passera genom nano-luckor, vilket leder till försvinnandet av resonanssvar. Dessutom, om storleken av Al 2 O 3 nano luckor är mindre än 2 nm, galvanisering spänning för Au nedfall kan uppdelning den dielektriska barriären (Al 2 O 3 nano luckor), vilket resulterar i ledning mellan Au nanopillars och Au galvanisering lösning, vilket leder till en andra Au skikt elektropläteras ovanpå Au nanopillars (en första guldskikt). Denna gräns leder till svårigheter att uppnå ultratunna Al 2 O 3 luckor utan att bryta den dielektriska barriären mellan Au nanopillars.

En finita elementmetoden (FEM) användes för att simulera SRRS (Figur 3i och 3k). Tre resonanstoppar i transmissionsspektra känd som den första (1 st) läge, andra (2: a) läge, och tredje (3: e) läget i SRR. Transmissionsspektra av nanopillar baserade SRRS med 10 nm Al 3 luckor och 10 nm luftgap mättes med användning av en THz tidsdomän spektroskopi (fig 3j och 3l). Allt det uppmätta transmissionsspektra matcha simulerade data, som visar att de tillverkade nanopillar baserade SRRS möta den förväntade utformningen.

Kombinationen av kontinuerliga tunna metallfilmer och dielektriska nanoskala luckor ger strukturer för mer energilagring jämfört med traditionella filmbaserade SRRS, vilket resulterar i extremt höga Q-faktorer på cirka 450 (mer än 45 gånger högre än Q-faktorn av de traditionella tunnfilm-baserade SRRS) och stora frekvensförskjutningar (omkring 17 gånger större än frekvensförskjutningen av de tunnfilmsbaserade SRRS). Den unika tillverkningstekniken som visas i den här videon tidskriften möjliggör tillverkning av tusentals nanopillar bildande SRRS över ett stort område. Sedan bildandet av Au nanopillars ökar i stort sett ytor i SRRS och antalet nanoskala luckor betlan Au nanopillars förhöjer mängden av energilagret (elektriska laddningar), kan ultrahöga Q-faktorer uppnås vilket leder till en hög känslighet. Dessutom är de ämnen som appliceras på nanopillar baserade SRRS presenteras inne i nano luckor bidra till permittiviteten förändringar av nano luckor, vilket resulterar i stora frekvensförskjutningar hos de nanopillar baserade SRRS, vilket leder till en hög selektivitet. Således nanopillar baserade SRRS tillverkade med användning av Au galvanisering och ALD tekniker är idealiska för mycket akut kemisk och biomolekylära sensorenheterna.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna ut.

Acknowledgments

Detta material är baserat på arbete som stöds av en startfond vid University of Minnesota, Twin Cities. Delar av detta arbete genomfördes i Characterization Facility, University of Minnesota, en medlem av NSF-finansierade Materials Research faciliteter Network (www.mrfn.org) via MRSEC programmet. En del av detta arbete genomfördes också i Minnesota Nano Center som får delvis stöd från NSF genom NNCI programmet.

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

Engineering metamaterial terahertz delade ringen resonatorer förskjutningsströmmen nanopillar kvalitetsfaktor nano gap
Tillverkning av Nanopillar-Based delad ring resonatorer för förskjutningsström medierade resonanser i terahertz Metamaterial
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