テラヘルツメタマテリアルにおける変位電流仲介共鳴のためのナノピラーベースのスプリットリング共振器の作製
Summary
設計および新規ナノピラーベースのスプリットリング共振器（SRR）の製造のためのプロトコルが提供されます。
Abstract
SRRは、このような共振器を周囲温度および圧力などの環境の特性に影響されないので、テラヘルツ（テラヘルツ）スプリットリング共振器（SRR）メタマテリアル（MMS）は、ガス、化学物質、および生体分子センシング応用のために研究されてきました。テラヘルツ周波数の電磁放射が、特に生体分子センシングの応用のための重要な条件である、生体適合性です。しかし、品質係数（Q値）と従来の薄膜ベースのスプリットリング共振器の周波数応答は、（SRR）MMSは、センサーとしての感度及び選択性を制限する、非常に低いです。この作業、新規ナノピラーベースのSRRのMMでは、変位電流を利用して、従来の薄膜系のMMよりも約45倍である450 Qファクタアップを強化するように設計されています。強化されたQファクタの他に、ナノピラーベースMMSは伝統により得られるシフトと比較し（17倍より大きい周波数シフトを誘発しますアル薄膜ベースMMS）。そのため大幅に強化されたQ値と周波数シフトだけでなく、生体適合性の放射線の特性の、テラヘルツナノピラーベースのSRRは、生体材料への損傷や歪みを誘発することなく、高感度と選択性を有する生体分子センサーの開発のための理想的なのMMです。新規の製造プロセスは、変位電流媒介テラヘルツのMM用ナノピラーベースのSRRを構築することが実証されています。二段階の金（Au）、電気めっき法、原子層堆積（ALD）プロセスは、金ナノピラーの間にサブ10nmのスケールのギャップを作成するために使用されます。 ALDプロセスは、コンフォーマルコーティングプロセスであるので、ナノメートルスケールの厚さの均一な酸化アルミニウム（Al 2 O 3）層を実現することができます。順次の Al 2 O 3とAu、最密充填のAu- の Al 2 O 3 -Auナノスケールの Al 2 O 3ギャップを有する構造がすることができます間のスペースを埋めるために別のAu薄膜を電気めっきすることにより、製作。ナノギャップの大きさが十分に正確に0.1ナノメートルの精度を有するALDプロセスの堆積サイクルを制御することによって定義することができます。
Introduction
テラヘルツ（テラヘルツ）メタマテリアル（MMS）は、生物医学的センサーと周波数アジャイル装置1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11のために開発されています。テラヘルツMMセンサの感度と周波数選択性を向上させるために、ナノピラーベースのスプリットリング共振器（SRR）は、（超高品質因子を有するテラヘルツ共鳴を励起するためにナノピラーアレイを金（Au）の内部で発生する変位電流を使用して設計されていますQ因子）（〜450）（ 図1）12。ナノピラーベースのSRRは、高Q値および有望なセンシング能力、そのようなnanostructurの製造を示しているにもかかわらず大面積にわたって高アスペクト比（40以上）とナノスケールのギャップ（サブ10 nm）を持つESが困難な13のまま。
ナノスケール構造体を製造するために最も一般的に使用される技術は、電子ビームリソグラフィ（EBL）14、15、16、17です。しかしながら、EBLの解像度静止によるビームスポットサイズ、電子散乱、レジストの特性、及び現像工程18、19に限定されます。また、原因遅い処理時間に大きな面積にわたってEBLを用いてナノ構造体を作製するのは実用的ではなく、大規模なプロセス20がかかり。ナノ構造を達成するための別の戦略は、自己組織化技術21,22を使用することです。溶液と、utilの中で自己集合金属ナノキューブ（NCS）によります静電相互作用とのNC間のポリマーリガンドの結合をizing、ナノスケールのギャップをきちんと整理1次元NCアレイは、23を達成することができます。ナノギャップの大きさは、NCの間にポリマーリガンドに依存し、異なる分子量24、25、26と異なるポリマー材料を適用することによって制御することができます。自己組織化は、スケーラブルでコスト効率の高いナノ構造体23を実現するための強力な手法です。しかし、製造プロセスは、従来のマイクロ及びナノ製造工程に比べて複雑であり、ナノギャップの大きさの制御は、電子デバイス用途のために十分に正確ではありません。 ⅰ）製造プロセスを適用することが容易であり、慣例と互換性があります正常にナノピラーベースのSRRを製造するためには、新規の製造方法は、以下の目標を達成するために考案されるべきですアルマイクロおよびナノ製造プロセス。 ⅱ）大面積にわたって製作が適用されます。 iii）は、ナノギャップの大きさを容易かつ正確に0.1 nmの分解能で制御することができ、10nm以下に縮小することができます。
新規な製造方法はナノピラーベースのSRRを製造するために電気めっきプロセスの組み合わせと原子層堆積（ALD）プロセスを用いて実証されます。電気めっきは、低コストの自己充填プロセスであるため、大面積にわたって構造を作製することは容易です。 ALDは、正確に処理中の反応サイクルにより制御することができる化学蒸着（CVD）プロセスです。 ALD薄膜の分解能は0.1nmであることができ、薄膜は、ナノスケールのギャップ27、28を作成するのに適した高品質で均一にコーティングされます。 10ナノメートルのギャップ以下でナノピラーベースSRRアレイが正常に6 mmの×6mmの領域上に製造することができます。両方のimulatedと測定されたテラヘルツ透過スペクトルは、変位電流によって媒介ナノピラーベースSRRの実行可能性を証明する、Q値と大きな周波数シフト超で共振挙動を示します。詳細な製造プロセスは、プロトコルセクションに説明されており、ビデオプロトコルは、開業医が、製造プロセスを理解し、ナノピラーベースSRRの製造に関連する一般的なミスを回避するのに役立つことができます。
Protocol
Representative Results
Discussion
この製造技術は、電子ビームリソグラフィと自己組織化などの既存の方法を介して、ナノスケールの構造体を作成するための重要な利点を有します。まず、ナノスケールの構造体は、電子ビームリソグラフィプロセスでは実用的ではないナノピラーアレイを備えたフォトマスクを用いて大面積（ウェハ全体）にわたって実現することができます。第二に、製造プロセスは、電子ビームリソグ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この材料は、ミネソタ大学、ツインシティーズでのスタートアップ資金によってサポートされている作業に基づいています。この作業の一部はキャラ施設、ミネソタ州、MRSECプログラムを介して、NSFが資金を提供する材料研究施設ネットワーク（www.mrfn.org）のメンバーの大学で行いました。この作品の部分もNNCIプログラムを通じて、NSFからの部分的なサポートを受けるミネソタナノセンターで行われました。
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 |
Riferimenti
- 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).
