Waiting
Login processing...

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

Engineering

Fremstilling af Nanopillar-baserede split-ring resonator til forskydning Aktuelle Mediated resonanser i Terahertz Metamaterials

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

Summary

En protokol til design og fremstilling af en ny nanopillar-baserede split ring resonator (SRR) præsenteres.

Abstract

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterialer (MMS) er blevet undersøgt for gas, kemiske og biomolekylære sensing applikationer, fordi det SRR ikke påvirkes af miljømæssige egenskaber såsom temperaturen og trykket omkring resonator. Elektromagnetisk stråling i THz frekvenser er biokompatibel, som er en kritisk tilstand især for anvendelsen af ​​biomolekylær sensing. Imidlertid kvalitetsfaktoren (Q-faktor) og frekvenser helt traditionel tynd-film baseret split ring resonator (SRR) MMS er meget lave, hvilket begrænser deres følsomhed og selektivitet som sensorer. I dette arbejde, nye nanopillar-baserede SRR MMS, udnytte forskydning strøm, er designet til at forbedre Q-faktor på op til 450, hvilket er omkring 45 gange højere end for traditionelle tynd-film-baserede MMS. Ud over den forbedrede Q-faktor, de nanopillar-baserede MMS inducerer en større frekvens skift (17 gange i forhold til forskydningen opnået ved traditional tyndfilm baserede MMS). På grund af de væsentligt forbedrede Q-faktorer og frekvens forskydninger samt ejendom biokompatible stråling, den THz nanopillar-baserede SRR er ideelle MMS for udviklingen af ​​biomolekylære sensorer med høj følsomhed og selektivitet uden at fremkalde skader eller forvrængning til biomaterialer. En hidtil ukendt fremstillingsproces har vist sig at bygge nanopillar-baserede SRRs til forskydning strøm medierede THz MMS. En to-trins guld (Au) galvanisering proces og en atomar lag deposition (ALD) proces bruges til at skabe sub-10 nm skala huller mellem Au nanopillars. Da ALD processen er en konform belægning proces, en ensartet aluminiumoxid (Al 2 O 3) lag med en tykkelse nanometerskala kan opnås. Ved sekventielt galvanisering anden Au tynd film til at fylde mellemrummene mellem Al 2 O 3 og Au, et tætpakket Au-Al 2 O 3 au struktur med nano-skala Al 2 O 3 huller kan værefabrikeret. Størrelsen af ​​nano-huller kan være veldefineret ved præcist at styre deposition cyklusser af ALD proces, som har en nøjagtighed på 0,1 nm.

Introduction

Terahertz (THz) metamaterialer (MMS) er blevet udviklet til biomedicinske sensorer og frekvensfleksibel enheder 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. For at forbedre følsomheden og frekvens selektivitet THz MM sensorer, har en nanopillar-baserede split ring resonator (SRR) er konstrueret ved hjælp forskydning strøm genereret inde guld (Au) nanopillar arrays at excitere THz resonanser med ultrahøj kvalitetsfaktorer ( Q-faktorer) (~ 450) (figur 1) 12. Selvom nanopillar-baserede SRRs viser høje Q-faktorer og lovende sensing evner, fremstilling af en sådan nanostructures med høje formatforhold (mere end 40) og nano-skala huller (sub-10 nm) over et stort område er fortsat udfordrende 13.

Den mest almindeligt anvendte teknik til at fremstille nano-skala strukturer er elektron-litografi (EBL) 14, 15, 16, 17. Imidlertid er løsningen af EBL stadig begrænset på grund af strålen pletstørrelse, elektron spredning, egenskaber resisten og udviklingsprocessen 18, 19. Desuden er det ikke praktisk at fremstille nanostrukturer ved hjælp EBL over et stort område på grund af en langsom proces tid og store proces koster 20. En anden strategi til at opnå nanostrukturer er at bruge en selvsamling teknik 21, 22. Ved selvsamlende metal nanocubes (NCS) i en løsning og utilders den elektrostatiske interaktion og sammenslutningen af polymer ligander mellem NCS kan en velorganiseret endimensionalt NC-array med nano-skala huller opnås 23. Nano-kløften størrelse afhænger af polymere ligander mellem NCS og kan styres ved at anvende forskellige polymermaterialer med forskellige molekylvægte 24, 25, 26. Selvsamling er en kraftfuld teknik til at opnå skalerbare og omkostningseffektive nanostrukturer 23. Men fremstillingsprocessen er mere kompliceret i forhold til konventionelle mikro- og nano fabrikationsprocesser, og kontrollen med nano-gap størrelser er ikke præcis nok for elektroniske programmer på enheden. For at kunne fabrikere nanopillar-baserede SRRs, bør en ny fabrikation metode opfundet for at opnå følgende mål: i) fremstillingsprocessen er let at anvende og er kompatibel med konventional mikro- og nano fabrikationsprocesser; ii) fremstilling over et stort område finder anvendelse; iii) nano-gap størrelser kan nemt og præcist styret med en 0,1 nm opløsning og kan skaleres ned til 10 nm eller mindre.

En hidtil ukendt fremstillingsmetode demonstreres anvendelse af kombinationen af ​​en galvanisering proces og et atomart lag deposition (ALD) proces til at fremstille nanopillar-baserede SRRs. Da elektroplettering er en selvstændig påfyldning proces med lave omkostninger, er det let at fremstille strukturer over et stort område. ALD er en kemisk dampaflejring (CVD) proces, der kan styres præcist ved reaktionen cyklus under processen. Opløsningen af ALD tyndfilm kan være 0,1 nm, og den tynde film er ensartet belagt med en høj kvalitet, som er egnet til at skabe huller nano-skala 27, 28. Nanopillar-baserede SRR array med 10 nm mellemrum eller mindre held kan fremstilles over et areal på 6 mm x 6 mm. begge simulated og målte THz transmission spektre viser resonante adfærd med ultra-høj Q-faktorer og store frekvens skift, hvilket beviser gennemførligheden af ​​de nanopillar-baserede SRRs medieret af forskydning strøm. Den detaljerede fabrikation proces er beskrevet nedenfor i protokollen sektionen, og videoen protokol kan hjælpe praktiserende læger til at forstå fremstillingsprocessen og undgå almindelige fejl i forbindelse med fremstilling af nanopillar-baserede SRRs.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Advarsel: Flere af de kemikalier, der anvendes i disse synteser er giftige, meget brandfarligt og kan forårsage irritation og alvorlige organskader ved berøring eller indånding. Venligst bære egnede personlige værnemidler (PPE) ved håndtering.

1. Forberedelse af det første lag af guld (Au) Nanopillar Arrays (Figur 2a-c og Figur 2e-g)

  1. Udarbejdelse af Kobber (Cu) Seed lag for Au galvanisering (figur 2a, b og figur 2e, f)
    1. Brug en 4 "høj resistivitet silicium (Si) wafer. (Resistivitet: 560 - 840 Ω · cm) som substrat Si wafer er N-type doteret og poleret på den ene side (figur 2a, e).
    2. Skær Si wafer i 2 cm x 2,5 cm stykker til senere brug.
    3. Deponere en 5 nm chrom (Cr) lag på Si prøve under anvendelse af en elektronstråle (e-stråle) fordampningsproces som et klæbelag mellem Si og Cu.
    4. Deponere en 10 nm Cu lag oven på det eksisterende Cr lag ved hjælp af enE-beam fordampningsproces som laget frø af Au galvanisering (figur 2b, f).
  2. Galvanisering Au nanopillar array (figur 2c, g)
    1. Mønstring af nanopillar vifte
      1. Spin frakke fotoresist på prøven forberedt i afsnit 1.1 ved 2.000 rpm i 60 s.
      2. Bag prøven på en varmeplade ved 115 ° C i 60 s.
      3. Expose den fotoresist under ultraviolet (UV) -Let (magt ~ 15 mW / cm2) med en Cr fotomaske, der indeholder tusindvis af nanopillar mønstre i 22 s.
      4. Udvikle med en udvikler i 90 s med omrøring.
      5. Skyl prøven med deioniseret (DI) vand og føntørre prøven med en luftpistol.
    2. Galvanisering Au nanopillar vifte
      1. Fjern den øverste del af fotoresist på prøven med acetone for at blotlægge Cu frø lag om elektroderne er forbundet.
      2. Tilslut samPLE (Cu frø lag) til den negative terminal af en kilde meter ved hjælp af en klemme og en ledning. I dette tilfælde er prøven anoden under galvanisering proces.
      3. Tilslut et stykke platin (Pt) belagt Si (samme størrelse som prøven) til den positive terminal på kilden meter. Pt er katoden under galvanisering proces.
      4. Sænk både Pt katode og Cu anode i Au galvanisering løsning. Holde de to elektroder vender mod hinanden med en afstand på ~ 1 cm.
      5. Tænd for kilden meter og levere en konstant spænding på 1,12 V. elektroplet Au på prøven i 8 min (deposition rate: ~ 100 nm / min).
      6. Det skylles derefter med deioniseret vand efterfulgt af acetone for at fjerne fotoresisten.
      7. Skyl prøven med DI vand igen og føntørre med en luftpistol.
      8. Undersøg galvaniseret Au nanopillar vifte under et mikroskop.
      9. Mål tykkelsen af ​​Au nanopillars med en profilometer (tykkelseAu nanopillars er ~ 800 nm).
        BEMÆRK: Konstant nuværende set-up kan også bruges til at galvanisere Au nanopillars. I både konstant spænding og konstant nuværende set-ups, kan den ideelle strøm og spænding bruges til Au galvanisering opnås ved trial and error.

2. Oprettelse af Nano-huller mellem Au Nanopillars (figur 2d, h)

  1. Fjernelse af Cr og Cu lag
    1. Sænk prøven i Cu ætsemiddel, indtil Cu farve forsvinder.
    2. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.
    3. Undersøg Au nanopillars under et mikroskop.
    4. Sænk prøven i Cr maske ætsemiddel i 10 s.
    5. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.
    6. Undersøg Au nanopillars under et mikroskop.
  2. Fremstilling af nano-skala aluminiumoxid (Al 2 O 3) huller
    1. Varm ALD systemet chamber til 200 ° C.
    2. Prøven anbringes i midten af ​​kammeret.
    3. Pump down kammeret til et vakuum og indstille cyklen til 100 (aflejringshastighed: ~ 1 Å / cyklus).
    4. Sekventielt og alternativt puls trimethylaluminium (TMA) gas med en tidsperiode på 0,015 s og vand (H2O) damp med en tidsperiode på 0,015 s ind i kammeret til ensartet deponere Al 2 O 3 lag på prøven. Tiden kløft mellem hver puls er 5 s. Kammeret tryk under TMA puls er 10 Torr og trykket under H2O damp puls er to Torr.
    5. Rens og støvsuge kammeret mellem hver cyklus af deposition. Depositum Al 2 O 3 for 100 cykler og tage ud prøven fra kammeret.
    6. Måle tykkelsen af ALD Al 2 O 3 under anvendelse af et ellipsometer.

3. Forberedelse af det andet lag af en Au Thin Film (Figur 2i-l og figur 2m-p)

  1. Udarbejdelse af Cu Seed lag for Au galvanisering (Figur 2i, m)
    1. Prøven anbringes i midten af ​​en fordamper prøveholder E-beam.
    2. Sluk for drejning af prøven i E-beam fordamper.
    3. Deponere en 5 nm Cr lag på prøven for at virke som et klæbelag mellem Al 2 O 3 og Cu. Brug en e-beam fordampning proces uden prøve rotation.
    4. Deposit 10 nm Cu oven på det eksisterende Cr lag ved hjælp af en e-beam fordampning processen uden prøve rotation som laget frø til Au galvanisering.
  2. Galvanisering Au tynd film (fig 2j, n)
    1. Tilslut prøven (Cu frø lag) til den negative terminal af kilden meter ved hjælp af en klemme og en ledning. I dette tilfælde er prøven anoden under galvanisering proces.
    2. Slut Pt katoden til den positive terminal af kilden meter.
    3. Sænk både Pt katode og Cu anode i Au galvanisering løsning. Holde de to elektroder vender mod hinanden med en afstand på ~ 1 cm.
    4. Tænd for kilden meter og oprette konstant spænding på 1,35 V og elektroplet Au på prøven i 16 min.
    5. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.
    6. Undersøg galvaniseret Au og den tidligere galvaniseret Au nanopillar vifte under et mikroskop.
    7. Mål tykkelsen af ​​Au nanopillars med en profilometer (tykkelse af Au nanopillars er ~ 400 nm).
      BEMÆRK: Svarende til Au galvanisering i afsnit 1.2.2, kan konstant strøm set-up også bruges til at galvanisere Au tynd film. I både konstant spænding og konstant nuværende set-ups, kan den ideelle strøm og spænding bruges til Au galvanisering opnås ved trial and error.
  3. Fjernelse af Cr og Cu lag (Figur 2k, o)
    1. Sænk prøven i Cu ætsemiddel i 10 s.
    2. Skyl prøven med DI vand end blow-tør med en luftpistol.
    3. Undersøg Au nanopillars under et mikroskop.
    4. Sænk prøven i Cr maske ætsemiddel i 10 s.
    5. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.
    6. Undersøg Au nanopillars under et mikroskop.
      BEMÆRK: Du kan også nedsænkes prøven i Au galvanisering løsning igen for at deponere et ekstra lag af Au oven på det andet galvaniseret Au lag efter fjernelse af Cr og Cu (trin 3.3). Denne ekstra Au lag øger den totale tykkelse af det andet Au lag og sikrer en god kontakt mellem Au lag og Al 2 O 3 lag (Figur 2i, s).

4. Definition af C-form SRR (Figur 2Q-s og Figur 2u-w)

  1. Mønstring C-formen SRR (fig 2q, u)
    1. Spin coat en fotoresist på prøven ved 2000 rpm i 60 s.
    2. Bag prøven på varmeplade på 115 ° C i 60 s.
      3. cm2) med en Cr fotomaske i 22 s.
    3. Udvikle med en udvikler i 90 s med omrøring.
    4. Skyl prøven med DI vand og føntørre prøven med en luftpistol.
  2. Definition C-form under anvendelse af ion mill (fig 2r, V og figur 2s, w)
    1. Fastgør prøven på en ion mølle prøve holder med dobbeltklæbende Cu ledende tape.
    2. Afkøle ion formalingskammer til 6 ° C.
    3. Ion mølle prøven med en stråle spænding på 300 V og en strålestrøm på 125 mA i ~ 30 min.
    4. Tag prøven og inspicere Au nanopillars uden for C-form.
    5. Gentag trin 4.2.3 og 4.2.4, hvis Au er stadig synlige uden for C-form.
    6. Sonikeres prøven i acetone for at fjerne fotoresisten.
    7. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.
    8. Undersøg prøven under et mikroskop.
    9. Gentag trin 4.2.6 og 4.2.7 hvis fotoresist ikke er fuldt fjernet.
      BEMÆRK: Alternativt anvende ilt modstå blødgøring trin til fotoresist, før du fjerner fotoresist. Men en lydbehandlingsbad er den mest effektive metode til at fjerne fotoresist hvis relevant.

5. Fjernelse af Al 2 O 3 for Air Nano-huller (figur 2t, x)

  1. Sænk prøven i 5% hydrogenfluorid (HF) opløsningen i 5 minutter til fjernelse Al 2 O 3.
  2. Skyl prøven med DI vand og føntørre med en luftpistol.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Fabrication ordninger viser hvert trin (figur 2a-x). Optiske billeder (Figur 2y-ac) og scanning elektron mikroskop (SEM) billeder (Figur 2ad-ag) blev indsamlet for nanopillar-baserede SRRs ved forskellige fabrikation trin. Animationer (figur 2a-c) illustrerer det første lag af elektrogalvaniserede Au nanopillars og det andet lag af elektrogalvaniserede Au film samt nano-afvigelser, der opstod mellem dem. Figur 2d viser tværsnittet arrangement med nanopillar-baserede SRRs med både Al 2 O 3 nano-huller og luft nano-huller. SEM billeder blev indsamlet for nanopillar-baserede SRR-array og nano-skala huller mellem Au nanopillars (Figur 2AF, 2AG, 3e-h). Både simulerede og målte transmission spektre af prøverne med Al 2 O 3 nano-huller og luft nano-huller blev vist (figur 3i-l).

jove_content "fo: holde-together.within-side =" 1 "> figur 1
Figur 1: illustration af nanopillar-baserede SRRs medieret af forskydning strøm. (A, b) Displacement strøm (I d) induceret mellem to metalplader og to nanopillars af elektriske felter E. (C) Skematisk af nanopillar-baserede SRRs defineret af tusindvis af Au nanopillars (H: højden af nanopillar, A: vendende område d: nano-kløften størrelse; l: bredde nanopillar og ε: permitivitet i nano-huller) . (D) Q-faktor på tynd-film-baserede SRR og nanopillar-baserede SRR. En Q-faktor på omkring 450 kan opnås med en nanopillar-baserede SRR med en nano-kløften størrelse på 10 nm. Figuren er tilpasset med tilladelse fra Advanced Optical Materials 12.ig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2: Fabrication ordninger af nanopillar-baserede SRRs. (A - t) 3D animation og tværsnit skemaer af produktionsprocessen af nanopillar-baserede SRRs. (Y - ac) Optiske billeder af nanopillar-baserede SRRs ved forskellige fabrikationstrin. (Ad - ag) SEM billeder af nanopillar-baserede SRRs på forskellige fremstillingstrin samt en 5 nm Al 2 O 3 huller (ag). Figuren er tilpasset med tilladelse fra Advanced Optical Materials 12. Klik her for at se en større version af dette tal.


Figur 3: karakterisering af nanopillar-baserede SRRs. (A - d) Fabrication ordninger af nanopillar-baserede SRRs. (E - h) SEM billeder af nanopillar-baserede SRRs. (I) Simuleret transmission spektre af Al 2 O 3 nano-gap nanopillar-baserede SRRs. (J) Målt transmission spektre af Al 2 O 3 nano-gap nanopillar-baserede SRRs. (K) Simuleret transmission spektre af luft nano-gap nanopillar-baserede SRRs. (L) Målt transmission spektre af luft nano-gap nanopillar-baserede SRRs. Figuren er tilpasset med tilladelse fra Advanced Optical Materials 12. Klik her for at se en større version af dette tal. </ A>

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne fabrikation teknik har betydelige fordele for at skabe nano-skala strukturer i forhold til eksisterende metoder såsom E-beam litografi og saml-selv. For det første kan nano-skala strukturer realiseres over et stort område (en hel wafer) med en fotomaske at funktioner nanopillar arrays, hvilket ikke er praktisk med en E-beam litografi proces. For det andet, fremstillingsprocessen anvender en traditionel wafer skala mikro produktionsprocessen, som er meget hurtigere, enklere og billigere i forhold til E-litografi. For det tredje kan de atomare skala nano-huller let skabt af en ALD proces med præcist styrede funktion størrelser.

Cr og Cu E-beam inddampninger uden prøve rotation tillade Cr og Cu deposition direkte på substratet med minimeret sidevæg deposition. Dette er afgørende for den følgende Au galvanisering proces, fordi Au kun kan elektropletteret på Cu frø lag, der er forbundet til kilden måleren. Da Cu lags oven på Au nanopillars er afbrudt med Cu lag på underlaget, kan Au ikke galvaniseret på underlaget. Kvaliteten og tykkelsen af ​​det elektropletterede Au afhænger af galvanisering spænding / strøm og galvanisering tid. Højere spænding / strøm fører til en høj aflejringshastighed. Dog kan høj spænding / strøm også resultere i lav kvalitet Au deposition. Electroplated Au med lav kvalitet har en lavere elektrisk ledningsevne sammenlignet med standard Au materiale samt masser af hulrum i Au, hvilket reducerer intensiteten af ​​forskydningen aktuelle cirkulerende SRR, hvilket fører til en svag resonant adfærd og en nedre størrelsen af ​​den resonante toppe . Derfor er en passende spænding / strøm er afgørende for at opnå en høj kvalitet Au nanopillars. Galvanisering tid og spænding / strøm skal også præcist styret for at sikre, at tykkelsen af ​​Au tynde film (det andet lag af Au) er mindre end for Au nanopillars (det første lag af Au).

2 O 3 lag på både Si underlag og sidevæggene af AU nanopillars. Aflejringshastigheden og kvaliteten af Al 2 O 3 deponeret af ALD afhænger af reaktionstemperaturen inden i kammeret. En reaktionstemperatur på over 200 ° C anbefales for at opnå Al 2 O 3 film af høj kvalitet. Cyklussen nummer og temperatur kan styres præcist for at opnå Al 2 O 3 lag med ønsket tykkelse. Størrelsen af nano-huller (figur 3h) er afgørende for at opnå en høj Q-faktorer i nanopillar-baserede SRRs. En stigning på nano-kløften størrelse øger energilagring inde nano-huller, som fører til en høj Q-faktor. Men størrelsen af ​​nano-huller kan ikke øges uden begrænsning. Når nano-gap størrelser overstiger ca. 50 nm, forskydningen strøm mellem Au nanopillars falder drastisk, og er ikke i stand til at passere gennem nano-huller, der fører til forsvinden af ​​resonante responser. Desuden, hvis størrelsen af Al 2 O 3 nano-huller er mindre end 2 nm, galvanisering spænding for Au aflejring kan opdeling den dielektriske barriere (Al 2 O 3 nano-huller), hvilket resulterer i ledningen mellem Au nanopillars og Au galvanisering løsning, der fører til en anden Au lag galvaniseret oven på Au nanopillars (en første guld lag). Denne grænse fører til problemer med at opnå ultra-tynde Al 2 O 3 huller uden at bryde den dielektriske barriere mellem Au nanopillars.

En finite element metoden (FEM) blev anvendt til at simulere SRRs (figur 3i og 3k). Tre resonanstoppe i transmissionsspektre er kendt som den første (1 st) tilstand, anden (2.) -tilstand, og tredje (3.) valg af SRR. Transmissionen spektre af nanopillar-baserede SRRs med 10 nm Al 3 huller og 10 nm luftgab blev målt under anvendelse af et THz tidsdomænet spektroskopi (figur 3j og 3l). Alle de målte transmission spektre matche de simulerede data, der beviser, at de fabrikerede nanopillar-baserede SRRs mødes den forventede design.

Kombinationen af ​​kontinuerlige metal tynde film og dielektriske huller nanoskala giver strukturer til mere energilagring i forhold til traditionelle filmbaserede SRRs, hvilket resulterer i ultra-høj Q-faktorer på omkring 450 (mere end 45 gange højere end Q-faktor de traditionelle tyndfilms-baserede SRRs) og store frekvensskift (omkring 17 gange større end frekvensen skift af tyndfilms-baserede SRRs). Den unikke fremstillingsteknik vist i denne video tidsskrift muliggør fremstilling af tusinder af nanopillar dannende SRRs over et stort område. Siden dannelsen af ​​Au nanopillars øger i høj grad overfladen områder af SRRs, og antallet af huller nano-skala between Au nanopillars forøger mængden af ​​energilagring (elektriske ladninger), der kan opnås ultrahøj Q-faktorer, der fører til en høj følsomhed. Derudover er stofferne anvendes på de nanopillar-baserede SRRs præsenteret inde i nano-huller bidrager til permittivitet ændringer af nano-huller, hvilket resulterer i store frekvensskift af nanopillar-baserede SRRs, hvilket fører til en høj selektivitet. de nanopillar-baserede SRRs fabrikerede Således bruger Au galvanisering og ALD teknikker er ideelle til meget akut kemiske og biomolekylære sensing enheder.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette materiale er baseret på arbejde støttes af en opstartsfond på University of Minnesota, Twin Cities. Dele af dette arbejde blev udført i Characterization Facility, University of Minnesota, et medlem af NSF-finansierede Materials Research faciliteter via MRSEC programmet Network (www.mrfn.org). En del af dette arbejde blev også udført i Minnesota Nano Center, som modtager delvis støtte fra NSF gennem 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 metamaterialer terahertz split ring resonator forskydning strøm nanopillar kvalitet faktor nano hul
Fremstilling af Nanopillar-baserede split-ring resonator til forskydning Aktuelle Mediated resonanser i Terahertz Metamaterials
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