המצאה של מהודי טבעת פיצול Nanopillar מבוסס על התזוזה נוכחית מתווכת רזוננסים ב Metamaterials Terahertz
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.
Protocol
Representative Results
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, ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| Silicon Wafer | Siltronic AG | N/A | 100mm 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 degree 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 |
References
- 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).
- 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).
- Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
- Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
- Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
- Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
- 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).
- Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
- 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).
- Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
- Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
- Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
- 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).
- Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
- 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).
- 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).
- Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
- Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
- Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
- Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
- Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
- 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).
- Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
- 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).
- Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
- 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).
- Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
- Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).
