Terahertz Metamalzemeler de Yerdeğiştirme Akımı aracılığı Rezonansları için Nanopillar Tabanlı Bölünmüş Yüzük Rezonatörler Fabrikasyon

Bu protokol, nanometre ölçeğinde boşluklara sahip, nanopillar tabanlı yeni yarık halka rezonatör metamalzemeler oluşturmak için altın elektrokaplama ve atomik katman biriktirme yöntemlerini kullanmaktadır. Fabrike edilen her bir yarık halka rezonatör, binlerce altın nanopillardan oluşur ve aralarındaki nanoboşluklar boyunca terahertz rezonanslarını uyaran yer değiştirme akımı ile sürülür. Yer değiştirme akımının büyüklüğü, nanoboşlukların boyutu ile orantılıdır.

Nanoboyutlu boşlukların büyüklüğü, atomik katman biriktirme işleminin döngü sayıları değiştirilerek ayarlanabilir; bu durum rezonans frekanslarında ve genlikte değişikliklere yol açar. İnce film yarık halka rezonatörler ile elde edilebilen 11'lik kalite faktörünün 40 katı olan, yaklaşık 450'lik geliştirilmiş bir kalite faktörü elde edilebilir. Ayrıca, ince film tabanlı rezonatörlerinkinden 17 kat daha büyük bir frekans kayması da gözlemlenebilir.

Hem simüle edilen hem de ölçülen iletim spektrumları, nanopillar tabanlı metamalzemelerin yüksek hassasiyetli sensörler ve frekans-çevik terahertz cihazları için ideal adaylar olduğunu göstermektedir. Taramalı elektron mikroskobuyla elde edilen analitik sonuçlar, fabrikasyon aşaması tamamlanmış nanopillar tabanlı yarık halka rezonatörü, yan yana iki altın nanopillar'ı ve aralarındaki 10 nanometrelik alüminyum oksit boşlukları göstermektedir. Nanopillar tabanlı yarık rezonatörler, altın nanopillar'lar ve 10 nanometrelik alüminyum oksit boşluk içerir.

Bu yapı, yer değiştirme akımı yoluyla indüktif ve kapasitif rezonansı uyarır. Bunlara daha fazla enerji sağlarlar, enerjileri yüksek kalite faktörü ve büyük frekans kayması yönünde artırırlar. Yüksek Q değeri ve büyük frekans kayması nedeniyle, nanopillar tabanlı yarık rezonatörler, biyomedikal ve kimyasal sensörler ile frekans ayarlama cihazları dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için uygundur.

Bu tekniğin elektron demeti litografisi ve kendi kendine düzenlenme gibi mevcut yöntemlere göre temel avantajı, yalnızca geleneksel mikrofabrikasyon süreçlerini kullanarak geniş bir alan üzerinde nano ölçekli yapıların gerçekleştirilmesi için sıralı bir elektrokaplama işlemi ile atomik katman biriktirmeyi birleştirmesidir. Fabrikasyon süreci, elektron demeti litografisi ve kendi kendine düzenlenmeye kıyasla çok daha hızlı ve basittir. Hassas bir şekilde kontrol edilen özellik boyutlarıyla yüksek görünüm oranlı nanoyapılar kolayca oluşturulabilir.

İlk olarak, düz bir substrat üzerine bir biriktirme ve yapışma artırıcı tabaka ile bir tohum tabakası yerleştirin. Ardından, fotolitografi ve elektrokaplama kullanarak nanopilarları desenleyin. Atomik katman biriktirme yöntemiyle tüm yapı üzerine üniform bir nano ölçekli dielektrik tabaka kaplayın.

Ardından ikinci bir yapışma artırıcı katman ve tohum katmanı çöktürülür ve bunu bir elektrokaplama işlemi takip eder. Son olarak, fotolitografi ve iyon aşındırma kullanarak nanopilarları ve dielektrik nano boşlukları kısmen aşındırıp C şeklinde bir yarık halka rezonatörü oluşturun. Daha sonra, ultrasonik banyoda aseton kullanarak fotoresist tabakasını temizleyin.

Substrat hazırlama işlemine dört inçlik yüksek özdirençli bir silikon gofret ile başlayın. Silikon gofreti aseton, izopropil alkol ve deiyonize su ile temizleyin. Ardından, nitrojen gazı ile kurutun.

Beş nanometre krom yapışma artırıcı katman ve 10 nanometre bakır tohum katmanı çöktürmek için bir elektron ışını evaporatörü kullanın. Gofreti iki santimetreye 2,5 santimetre boyutlarında parçalar halinde kesin. Ardından, 2.000 RPM'de 60 saniye boyunca iki mikrometre kalınlığında S1813 Fotoresist katmanını spin kaplama yöntemiyle uygulayın.

Substratı 115 °C'de 60 saniye boyunca pişirin. Şimdi, bir maska hizalayıcı kullanarak Fotoresist'i, santimetre kare başına yaklaşık 15 mW ultraviyole ışıkla 22 saniye boyunca nanopillar maskesine maruz bırakın. Nanopillar maskesi, beş mm x beş mm boyutlarında nanopillar dizileri içerir.

Fotoresist'i, ajitasyon uygulayarak MF-319 geliştiricide 90 saniye boyunca geliştirin. Numuneyi deiyonize su ile durulayın ve ardından nitrojen gazı ile kurutun. Elektrot bağlantısı için bakır seed tabakasını açığa çıkarmak amacıyla, substrat üzerindeki fotoresist'in üst bölümünü aseton kullanarak temizleyin.

Ardından, örneği altın elektrokaplama solüsyonuna daldırın ve yaklaşık sekiz dakika boyunca 800 nanometre kalınlığında bir altın tabakası elektrokaplayın. Fotoresist'i aseton kullanarak temizleyin. Deiyonize su ile durulayın ve nitrojen gazı ile kurutun.

Numuneyi 10 saniye boyunca krom aşındırıcıya, ardından 10 saniye boyunca bakır aşındırıcıya daldırarak yüzeydeki krom ve bakır tabakasını kaldırın. Şimdi, atomik katman biriktirme yöntemiyle numuneyi 10 nanometre kalınlığında bir alüminyum oksit tabakasıyla homojen bir şekilde kaplayın. 10 nanometrelik alüminyum oksit tabakasının üzerine ikinci bir 5 nanometrelik krom yapışma artırıcı tabaka ve ikinci bir 10 nanometrelik bakır tohum tabakası biriktirmek için elektron demeti evaporatörü kullanın.

Substrat üzerinde 400 nanometre kalınlığında bir altın film kaplamak için numuneyi 16 dakika boyunca altın elektrokaplama çözeltisine daldırın. 2.000 RPM hızda 60 saniye boyunca iki mikrometre kalınlığında bir S1813 Fotoresist tabakası spin kaplayın. Substratı 115 degrees celsius sıcaklıkta 60 saniye boyunca pişirin.

Fotoresisti, bir maske hizalayıcı kullanarak santimetre kare başına yaklaşık 15 milivat UV ışığı ile 22 saniye boyunca C-şekilli yarık halka rezonatör maskesine maruz bırakın. MF-319 geliştirici içinde 90 saniye boyunca geliştirin. Fotoresist deseninin dışındaki yapıları bir iyon frezeleme sistemi kullanarak yaklaşık 30 dakika boyunca aşındırın.

Fotoresisti ultrasonik banyoda aseton kullanarak temizleyin, ardından örneği aseton, izopropil alkol ve deiyonize su ile durulayın ve ardından nitrojen gazı ile kurutun. Alternatif olarak, hava nanoaralıkları tercih ediliyorsa, alüminyum oksidi gidermek için örneği beş dakika boyunca %5 hidrojen florür çözeltisine daldırın. Nanosütun tabanlı yarık halka rezonatörlerini optik mikroskop altında inceleyin.

Optik görüntüleme, silikon bir substrat üzerinde beş milimetre çarpı beş milimetrelik iki nanopillar tabanlı yarık halka rezonatör dizisini göstermektedir. Yakınlaştırılmış optik mikroskop görüntüsü, C-şeklindeki nanopillar tabanlı yarık halka rezonatör dizilerini göstermektedir. Tek bir yarık halka rezonatörün yakınlaştırılmış görüntüsünde altın nanopillar ve alüminyum oksit nanoboşluklar gözlemlenebilir.

Taramalı elektron mikroskobundan elde edilen analitik sonuçlar; üretilen nanosütun tabanlı yarık halka rezonatörü, iki yan yana altın nanosütunu ve bunlar arasındaki alüminyum oksit boşluklarını da göstermiştir. Alüminyum oksit atomik katman biriktirme işleminin döngüleri kontrol edilerek, hem 5 nanometre alüminyum oksit boşluklar hem de 10 nanometre alüminyum oksit boşluklar kolaylıkla üretilebilmektedir. Bu sonuçlar, söz konusu üretim işleminin geniş ölçekli bir altlık üzerinde binlerce nanosütun tabanlı yarık halka rezonatörü üretebileceğini göstermektedir.

Bu işlem, elektron demeti litografisi ve kendi kendine düzenlenmeye kıyasla, nanoboşlukların boyutunun hassas bir şekilde kontrol edilmesine olanak tanır ve yüksek en-boy oranlı nanoyapıları kolayca üretebilir. Nanosütun tabanlı yarık halka rezonatörler, binlerce altın nanosütun ve nan ölçekli boşluklar içerir. Nanosütun tabanlı yarık halka rezonatörlerin rezonans frekansları ve genlikleri, nanoboşlukların boyutu değiştirilerek kolayca ayarlanabilir; bu da onları biyomedikal sensörler ve frekans-çevik cihazlar dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için uygun hale getirir.

Bu videoyu izledikten sonra, altın nanopillarlar arasında alüminyum oksit nano ölçekli boşluklar oluşturmak için iki aşamalı altın elektrokaplama ve atomik katman biriktirme işlemi kullanarak altın nanopillar tabanlı yarık halka rezonatörlerin nasıl yapılacağı konusunda iyi bir anlayışa sahip olmalısınız. Sürecin çalışma prensibini anlamak ve süreçte kullanılan her bir malzeme için doğru malzemeleri ve kalınlıkları seçmek önemlidir.