Fabricação de ressonadores anel de divisão Nanopillar-base para o deslocamento atuais mediada Ressonâncias em Terahertz Metamaterials
Summary
Um protocolo para a concepção e fabricação de um novo ressonador anel de divisão com base em nanopillar (SRR) é apresentado.
Abstract
Terahertz (THz) anel de divisão ressonador (SRR) metamateriais (MMS) foi estudado para o gás, química e aplicações de detecção biomolecular porque o SRR não é afetado por características ambientais, como a temperatura ea pressão em torno do ressonador. A radiação electromagnética em frequências THz é biocompatível, que é uma condição crítica especialmente para a aplicação da detecção biomolecular. No entanto, o fator de qualidade (Q-Factor) e as respostas de base ressonador tradicional anel de divisão de película fina de frequência (SRR) MMs são muito baixos, o que limita as suas sensibilidades e selectividade como sensores. Neste trabalho, os novos MMs SRR baseada nanopillar, utilizando corrente de deslocamento, são projetados para aumentar o fator Q até 450, o que é cerca de 45 vezes maior que a do MMs tradicionais baseadas em thin-film. Além disso para o factor Q reforçada, o MMS baseada nanopillar induzir uma deslocamentos de frequência maiores (17 vezes em comparação com o deslocamento obtida pela tradiçãoal thin-film MMs base). Por causa das Q-fatores significativamente melhoradas e deslocamentos de frequência, bem como a propriedade da radiação biocompatível, o THz SRR baseada nanopillar são MMs ideais para o desenvolvimento de sensores biomoleculares com alta sensibilidade e seletividade sem induzir danos ou distorção de biomateriais. Um novo processo de fabricação tenha sido demonstrado para construir os SRR-base nanopillar para MMS THz corrente de deslocamento mediadas. Um (Au) galvanoplastia processo de duas etapas de ouro e de um processo de deposição de camada atómica (ALD) são usadas para criar aberturas sub-10 nm de escala entre o Au nanopillars. Uma vez que o processo é um processo de ALD revestimento isolante, um óxido de alumínio uniforme (Al 2 O 3) camada com espessura à escala nanométrica pode ser alcançado. Por galvanoplastia sequencialmente outra película fina Au para preencher os espaços entre Al 2 O 3 e Au, um repleto de perto Au-Al 2 O 3 -au estrutura com nano-escala Al 2 O 3 lacunas pode serfabricado. O tamanho dos nano-lacunas pode ser bem definida ao controlar com precisão os ciclos de deposição do processo ALD, que tem uma precisão de 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamateriais (MMS) foram desenvolvidos para sensores biomédicos e dispositivos de 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 freqüência ágil. A fim de melhorar a sensibilidade e a frequência selectividade dos sensores MM THz, um baseado em nanopillar anel fendido ressonador (SRR) foi concebido usando corrente de deslocamento gerado dentro de ouro (Au) matrizes nanopillar para excitar ressonâncias THz com factores de ultra-alta qualidade ( Q-fatores) (~ 450) (Figura 1) 12. Mesmo que SRR baseada nanopillar mostram altos Q-fatores e habilidades de detecção promissores, fabricação de tais nanostructures com proporções elevadas (mais de 40) e lacunas escala nano (sub-10 nm) sobre uma grande área continua sendo um desafio 13.
A técnica mais comumente usado para o fabrico de estruturas em escala nanométrica é por feixe de elétrons de litografia (EBL) 14, 15, 16, 17. No entanto, a resolução de EBL é ainda limitada, devido ao tamanho do ponto do feixe, de dispersão de electrões, as propriedades da resistência, e o processo de desenvolvimento 18, 19. Além disso, não é prático para fabricar nanoestruturas usando EBL sobre uma grande área devido a um tempo de processo lento e grandes custos de processo 20. Outra estratégia para alcançar nanoestruturas é a utilização de uma técnica de auto-montagem 21, 22. Por nanocubes metálicos auto-montagem (NCS) em uma solução e utilnalizar a interação eletrostática e a associação de ligantes de polímero entre CNs, uma matriz NC unidimensional bem organizado, com lacunas escala nano pode ser alcançado 23. O tamanho nano-lacuna depende dos ligandos de polímero entre as CNs e pode ser controlado através da aplicação de diferentes materiais de polímeros com diferentes pesos moleculares 24, 25, 26. Auto-montagem é uma técnica poderosa para alcançar nanoestruturas escaláveis e de custo eficiente 23. No entanto, o processo de fabricação é mais complicado comparado com os processos micro e nano fabricação convencionais, eo controle de tamanhos nano-gap não é suficientemente precisa para aplicações de dispositivos eletrônicos. A fim de fabricar com sucesso SRR baseada nanopillar, um novo método de fabrico, deverão ser inventada para atingir os seguintes objectivos: i) o processo de fabricação é fácil de aplicar e é compatível com a convençãoao micro e nano fabricação processos; ii) a fabricação de uma grande área é aplicável; iii) tamanhos nano-lacuna pode ser fácil e precisamente controlada com uma resolução de 0,1 nm e pode ser reduzida para 10 nm ou menos.
Um novo método de fabricação é demonstrada usando a combinação de um processo de galvanoplastia e um processo de deposição de camada atómica (ALD) para fabricar SRR-base nanopillar. Desde galvanoplastia é um processo de auto-enchimento com baixo custo, que é fácil de fabricar estruturas sobre uma grande área. ALD é um processo de deposição de vapor químico (CVD) que pode ser precisamente controlada pelo ciclo de reacção durante o processo. A resolução de película fina ALD pode ser de 0.1 nm, e a película fina é uniformemente revestida com uma elevada qualidade, que é adequado para criar lacunas escala nano 27, 28. SRR matriz à base de Nanopillar com lacunas 10 nm ou menos pode ser fabricada com sucesso através de uma área de 6 mm x 6 mm. ambos sespectros de transmissão THz imulated e medidos mostram comportamentos ressonantes com ultra-alta Q-fatores e mudanças de frequência grandes, o que prova a viabilidade dos SRR baseada nanopillar mediadas pela corrente de deslocamento. O processo de fabricação detalhada está descrita abaixo na seção de protocolo eo protocolo de vídeo pode ajudar os profissionais a compreender o processo de fabricação e evitar erros comuns associados com a fabricação de SRR baseada nanopillar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esta técnica de fabricação tem vantagens significativas para a criação de estruturas em escala nanométrica em relação aos métodos existentes, tais como a litografia de feixe de electrões e auto-montagem. Em primeiro lugar, as estruturas em escala nano pode ser realizado por uma grande área (uma bolacha inteira) usando um photomask que apresenta matrizes nanopillar, que não é prático com um processo de litografia de feixe de electrões. Em segundo lugar, o processo de fabrico utiliza um processo de fabrica?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material é baseado no trabalho apoiado por um fundo de arranque, na Universidade de Minnesota, Twin Cities. Partes deste trabalho foram realizadas na instalação de caracterização da Universidade de Minnesota, um membro da Materials Research Facilities Rede NSF-financiado (www.mrfn.org) através do programa MRSEC. Uma porção deste trabalho também foi realizado na Minnesota Nano Center, que recebe o apoio parcial do NSF através do programa 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 |
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