Fabricage van Nanopillar-Based Split Ring Resonators voor Displacement Current gemedieerde resonanties in Terahertz Metamaterials
Summary
Een protocol voor het ontwerp en de fabricage van een nieuw-nanopillar gebaseerde split ring resonator (SRR) wordt gepresenteerd.
Abstract
Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterialen (MMS) is onderzocht voor gas, chemische en biomoleculaire sensing toepassingen, omdat de SRR niet wordt beïnvloed door milieu-kenmerken, zoals de temperatuur en de druk rondom de resonator. Elektromagnetische straling in THz frequenties biocompatibel, wat een kritieke toestand speciaal voor de toepassing van de biomoleculaire detectie. De kwaliteitsfactor (Q-factor) en frequentierespons van traditionele dunne film gebaseerde splitring resonator (SRR) MMs zeer laag, wat de gevoeligheid en selectiviteit beperkt sensoren. In dit werk, nieuw-nanopillar gebaseerde SRR MMS, behulp verplaatsingsstroom, zijn ontworpen om de Q-factor tot 450, die ongeveer 45 maal hoger dan die van traditionele dunne-film-based MMs verbeteren. Naast de verbeterde Q-factor de nanopillar gebaseerde MMS induceren groter frequentieverschuiving (17 keer boven de verschuiving verkregen door de traditieal dunne-film gebaseerde MMS). Door de aanzienlijk verbeterde Q-factoren en frequentieverschuivingen en eigendom van biocompatibele straling, het THz-nanopillar gebaseerde SRR ideaal MMS voor de ontwikkeling van biomoleculaire sensoren met hoge gevoeligheid en selectiviteit induceren zonder schade of vervorming biomaterialen. Een nieuwe fabricageproces is aangetoond dat de nanopillar gebaseerde SRRs voor verplaatsingsstroom gemedieerde THz MMs bouwen. Een twee-staps goud (Au) galvanische proces en een atomic layer deposition (ALD) proces worden gebruikt om sub-10 nm schaal kloof tussen Au Nanopilaren creëren. Aangezien het ALD proces een conforme bekledingswerkwijze, een uniforme aluminiumoxide (Al 2 O 3) laag met nanometerschaal dikte worden bereikt. Door opeenvolgend galvaniseren andere Au dunne film om de ruimten tussen Al 2 O 3 en Au, een dichtgepakte Au-Al 2 O 3 gewerkt -de Au structuur met nano-schaal te vullen Al 2 O 3 gaten kan wordengefabriceerd. De grootte van de nano-openingen kunnen ook worden gedefinieerd door nauwkeurig regelen van de afzetting cycli van het ALD proces, waarbij een nauwkeurigheid van 0,1 nm heeft.
Introduction
Terahertz (THz) metamaterials (MMS) ontwikkeld voor biomedische sensoren en meerkanaalssystemen inrichtingen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Teneinde de gevoeligheid en frequentieselectiviteit van de THz MM sensoren verbeteren heeft een nanopillar gebaseerde splitring resonator (SRR) ontworpen is met verplaatsingsstroom gegenereerd binnen goud (Au) nanopillar arrays THz resonanties met ultrahoge kwaliteitsfactoren wekken ( Q-factoren) (~ 450) (figuur 1) 12. Ook al-nanopillar gebaseerd SRRs vertonen een hoge Q-factoren en veelbelovende sensing mogelijkheden, fabricage van dergelijke nanostructures met een hoge aspect ratio's (meer dan 40) en nano-schaal gaps (sub-10 nm) over een groot gebied blijft een uitdaging 13.
De meest gebruikte techniek om nanoschaal structuren fabriceren is electron-beam lithografie (EBL) 14, 15, 16, 17. Echter, de oplossing van EBL nog beperkt vanwege de bundelvlekgrootte, elektronverstrooiing, eigenschappen van de lak en het ontwikkelingsproces 18, 19. Bovendien is het niet praktisch om nanostructuren met behulp EBL over een groot oppervlak te vervaardigen door een langzaam proces tijd en grote proceskosten 20. Een andere strategie om nanostructuren te bereiken is om een zelf-montagetechniek 21, 22 gebruiken. Door zelfassemblerende metal nanocubes (NCS) in een oplossing en utilasse elektrostatische interactie en de vereniging van polymeer liganden tussen NC's, kan een goed georganiseerde eendimensionale NC array met nano-schaal gaten worden bereikt 23. De nano-opening is afhankelijk van de polymere liganden tussen NC en kan worden bediend door verschillende polymere materialen met verschillende molecuulgewichten 24, 25, 26. Zelf-assemblage is een krachtige techniek voor het bereiken van schaalbare en kosteneffectieve nanostructuren 23. Echter, het fabricageproces is ingewikkelder dan conventionele micro- en nano fabricageprocessen en de beheersing van nano-afmetingen gap is niet nauwkeurig genoeg voor toepassingen elektronische inrichting. Om succesvol fabriceren nanopillar-gebaseerde SRRs, moet een nieuwe vervaardigingswerkwijze worden uitgevonden om de volgende doelstellingen te bereiken: i) het fabricageproces gemakkelijk aan te brengen en is compatibel met conventieal micro- en nano-fabricage processen; ii) vervaardiging een groot gebied van toepassing; iii) nano-gap maten kunnen gemakkelijk en nauwkeurig worden bediend met een 0,1 nm resolutie en kan naar beneden worden geschaald naar 10 nm of minder.
Een nieuwe fabricage methode wordt aangetoond met behulp van de combinatie van een galvanische proces en een atomic layer deposition (ALD) proces-nanopillar gebaseerde SRRs te fabriceren. Aangezien galvaniseren is zelfvullende proces met lage kosten, is het gemakkelijk om structuren te fabriceren over een groot gebied. ALD is een chemische dampneerslag (CVD) proces dat juist in het proces kan worden bestuurd door de reactiecyclus. De resolutie van ALD dunne film kan 0,1 nm, en de dunne film uniform bekleed met een hoge kwaliteit, die geschikt maken nanoschaal openingen 27, 28. -Nanopillar gebaseerde SRR array met 10 nm gaten of minder succes kan worden vervaardigd over een gebied van 6 mm x 6 mm. beide simulated en gemeten THz transmissie spectra resonante gedrag met ultra-hoge Q-factoren en grote frequentieverschuivingen, waarbij de haalbaarheid van de nanopillar gebaseerde SRRs gemedieerd door verplaatsingsstroom blijkt. De gedetailleerde fabricageproces wordt hieronder beschreven onder protocol en de videoprotocol kan helpen beoefenaars het fabricageproces leren gaan voorkomende fouten in verband met de fabricage van nanopillar gebaseerde SRRs.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze fabricage techniek heeft belangrijke voordelen voor het creëren van nano-schaal structuren ten opzichte van bestaande methoden, zoals e-beam lithografie en zelf-assemblage. Ten eerste kan nanoschaal structuren gerealiseerd worden over een groot gebied (een hele wafer) met een fotomasker dat nanopillar arrays, die niet praktisch met een elektronenbundel lithografie werkwijze kenmerkt. Ten tweede, het fabricageproces wordt een traditionele Waferschaalwerkwijze micro fabricageproces, die veel sneller, eenvoudiger en …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit materiaal is gebaseerd op het werk ondersteund door een startersfonds aan de Universiteit van Minnesota, Twin Cities. Delen van deze werkzaamheden werden uitgevoerd in de karakterisering Facility, University of Minnesota, een lid van de NSF-gefinancierde Materials Research Facilities Network (www.mrfn.org) via het MRSEC programma. Een deel van dit werk werd ook in de Minnesota Nano Center, die gedeeltelijke steun ontvangt van de NSF door de NNCI programma.
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).
