Изготовление Nanopillar-Based Split Ring резонаторы для тока смещения опосредованной резонансы в Терагерцовое метаматериалов
Summary
Протокол для проектирования и изготовления нового nanopillar на основе раскола кольцевого резонатора (СРР) представлена.
Abstract
Терагерцового (ТГц) раскол кольцевого резонатора (СРР) метаматериалы (ММС) был изучен для газовой, химической и биомолекулярных приложений зондирования, потому что СРР не зависит от экологических характеристик, таких как температура и давление окружающей резонатор. Электромагнитное излучение в частотах ТГц является биосовместимым, что является критическим условием, особенно для применения биомолекул зондирования. Тем не менее, коэффициент качества (Q-фактор) и частотные характеристики традиционных тонкопленочных основе раскола кольцевого резонатора (SRR) MMs являются очень низкими, что ограничивает их чувствительность и селективность в качестве датчиков. В этой работе, новые nanopillar на основе SRR MMs, используя ток смещения, предназначены для повышения добротности до 450, что составляет около 45 раз выше, чем у традиционных MMs тонкопленочных основе. В дополнение к улучшенной добротности, то nanopillar на основе MMs вызывают большие сдвиги частоты (в 17 раз по сравнению со сдвигом, полученной традицииАль тонкопленочный MMs основе). Из-за значительно улучшенных добротностью и сдвигов частот, а также свойство биосовместимого излучения, ТГц nanopillar на основе СРР являются идеальными MMs для развития биомолекулярных датчиков с высокой чувствительностью и селективностью, не вызывая повреждения или искажения в биоматериалов. Новый процесс изготовления было продемонстрировано, чтобы построить nanopillar на основе SRRs для тока смещения, опосредованных ТГц MMs. Двухступенчатый золота (Au) процесс гальванических и процесс осаждения атомных слоев (ALD) используются для создания суб-10 нм масштабные промежутки между Au nanopillars. Так как процесс ALD представляет собой процесс нанесения покрытия конформный, однородный оксид алюминия (Al 2 O 3) слой с нанометрового толщины может быть достигнуто. Путем последовательного гальваники другой тонкой пленки Au , чтобы заполнить пространство между Al 2 O 3 и Au, плотноупакованном Au-Al 2 O 3 -Au структуры с наноразмеров Al 2 O 3 зазоры могут бытьсфабрикованы. Размер нано- пробелов может быть четко определена путем точного контроля циклов осаждения процесса ALD, который имеет точность 0,1 нм.
Introduction
Терагерцового (ТГц) метаматериалы (ММС), были разработаны для биомедицинского датчиков и частоты перестройкой устройств 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Для того, чтобы улучшить чувствительность и избирательность по частоте ТГц ММ датчиков, A nanopillar на основе раскола кольцевого резонатора (СРР) был разработан с использованием тока смещения, генерируемого внутри золота (Au) nanopillar массивы для возбуждения ТГц резонансы с факторами сверхвысокого качества ( Q-факторы) (~ 450) (рисунок 1) 12. Даже если nanopillar на основе SRR, показывают высокие Q-факторы и перспективные зондирования способности, изготовление такого nanostructurэс с высоким соотношением сторон (более 40) и наноразмерных пробелов (суб-10 нм) по большой площади остается сложной 13.
Наиболее часто используемый метод для изготовления нано-структур является электронно-лучевой литографии (EBL) 14, 15, 16, 17. Тем не менее, разрешение ЭЛКРС по – прежнему ограничен из – за размера пятна светового луча, рассеяние электронов, свойства резист и процесс развития 18, 19. Кроме того, это не практично для изготовления наноструктур с помощью EBL на большой площади , из – за медленного времени процесса и большой процесс стоит 20. Другая стратегия для достижения наноструктурах использовать метод самосборки 21, 22. По самособирающихся металлических нанокубиков (NCS) в растворе и UtilИзинга электростатическое взаимодействие и объединение полимерных лигандов между НЦ, хорошо организованная одномерный массив с ЧПУ наноразмерных пробелов может быть достигнуто 23. Размер нано- разрыв зависит от полимерных лигандов между НЦ и может контролироваться с применением различных полимерных материалов с различными молекулярными массами 24, 25, 26. Самоорганизация является мощным средством для достижения масштабируемых и экономически эффективных наноструктуры 23. Тем не менее, процесс изготовления является более сложным по сравнению с традиционными микро- и нано изготовления процессов, а также контроль размеров нано-щелевых недостаточно точен для электронных устройствах. Для того, чтобы успешно изготовить nanopillar основе SRRs, новый метод изготовления должны быть изобретены для достижения следующих целей: я) процесс изготовления легко наносится и совместим с Конвенциеймикро- и нано изготовление процессов и другие; б) изготовление на большой площади применимо; III) размеры нано- зазор может быть легко и точно контролировать с разрешением 0,1 нм и может быть уменьшено до 10 нм или менее.
Новый метод изготовление демонстрируется с использованием комбинации процесса гальванического и слой осаждения (ALD) процесс атомное для изготовления nanopillar на основе SRRs. Так как гальванического покрытия представляет собой самозаполнение процесс с низкой стоимостью, легко изготовить структуры на большой площади. ALD представляет собой процесс химического осаждения из паровой фазы (CVD), который можно точно контролировать с помощью цикла реакции во время процесса. Разрешение ALD тонкой пленки может составлять от 0,1 нм, а тонкая пленка равномерно покрыта тонким высоким качеством, пригодным для создания наноразмерных пробелов 27, 28. Nanopillar на основе СРР массив с 10 нм или менее пробелах могут быть успешно изготовлены на площади 6 × 6 мм. Оба Simulated и измеренные спектры пропускания ТГц показывают резонансные поведения с сверхвысокой Q-факторы и большие сдвиги частот, что и доказывает осуществимость nanopillar на основе SRRs, опосредованных тока смещения. Подробный процесс изготовления описан ниже в разделе протокола, а также видео-протокол может помочь практикам понять процесс изготовления и избежать распространенных ошибок, связанных с изготовлением nanopillar на основе SRRs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта технология изготовления имеет значительные преимущества для создания нано-структур по сравнению с существующими методами, такими как электронно-лучевой литографии и самосборки. Во-первых, наноразмерные структуры могут быть реализованы на большой площади (целая вафельного) с исп?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Этот материал основан на работе, поддержанной начинающей фонда в Университете штата Миннесота, побратимы. Части этой работы были проведены в характеристике фонда, Университет Миннесоты, член НФС финансируемым материалов научно-исследовательских учреждений сети (www.mrfn.org) через программу MRSEC. Часть этой работы была также проведена в Центре Nano Миннесота, который получает частичную поддержку от NSF в рамках программы 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).
