Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien
Summary
Ein Protokoll für die Konstruktion und Herstellung eines neuartigen nanopillar-basierten Split-Ring-Resonator (SRR) dargestellt.
Abstract
Terahertz (THz) Split-Ring-Resonator (SRR) Metamaterialien (MMs) wurde für Gas, chemischen und biomolekularen Erfassungsanwendungen untersucht, da die SRR nicht durch Umwelteigenschaften wie die Temperatur und den Druck rund um den Resonator beeinflusst wird. Elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzen ist biokompatibel, was eine kritische Bedingung vor allem für die Anwendung des biomolekularen Erkundung. Allerdings sind der Qualitätsfaktor (Q-Faktor) und Frequenzgang der traditionellen Dünnschicht basierten Split-Ring-Resonator (SRR) MMs sehr gering, was ihre Empfindlichkeiten und Selektivität als Sensoren begrenzt. In dieser Arbeit werden neue nanopillar-basierte SRR MMs, Verschiebungsstrom verwendet wird, sind so konzipiert, den Q-Faktor bis zu 450, die 45 ist um mal höher zu verbessern als bei herkömmlichen Dünnschichtbasis MMs. Zusätzlich zu der Q-Faktor erhöht, die nanopillar basierte MMs einen größeren Frequenzverschiebungen (17-fache im Vergleich zu der von der Tradition erhaltenen Verschiebung veranal Dünnschicht basiert MMs). Aufgrund der deutlich verbesserten Q-Faktoren und Frequenzverschiebungen sowie die Eigenschaft von biokompatiblen Strahlung, die THz nanopillar-basierte SRR sind ideal MMs für die Entwicklung von biomolekularen Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität ohne Beschädigung oder Verformung zu Biomaterialien zu induzieren. Ein neues Herstellungsverfahren hat sich gezeigt, die nanopillar-basierte SRRs für Verschiebungsstrom vermittelte THz MMs zu bauen. Ein zweistufiger Gold (Au) Elektroplattierverfahren und ein Atomlagenabscheidung (ALD) -Verfahren werden verwendet, sub-10 nm-Skala Lücken zwischen Au Nanosäulen zu erzeugen. Da das ALD – Verfahren ist ein konformes Beschichtungsverfahren, ein gleichmäßiger Aluminiumoxid (Al 2 O 3) -Schicht mit Nanometer-Maßstab Dicke erreicht werden kann. Durch sequentielles eine andere Au – Dünnfilm Galvanik können die Räume zwischen Al 2 O 3 und Au, einer dicht gepackten Au-Al 2 O 3 -Au Struktur mit nanoskaligen Al 2 O 3 Lücken zu füllen seinhergestellt. Die Größe der Nanolücken können auch durch genau die Abscheidungszyklen des ALD-Prozess-Controlling definiert werden, die eine Genauigkeit von 0,1 nm aufweist.
Introduction
Terahertz (THz) Metamaterialien (MMs) wurden für biomedizinische Sensoren und frequenzagilen Vorrichtungen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 entwickelt. Um die Empfindlichkeit und Frequenzselektivität der THz-MM-Sensoren, eine nanopillar-basierten Split-Ring-Resonator (SRR) zu verbessern wurde mit Verschiebungsstrom im Inneren Gold (Au) nanopillar Arrays erzeugt entwickelt, um THz-Resonanzen mit extrem hohen Qualitätsfaktoren anregen ( Q-Faktoren) (~ 450) (Figur 1) 12. Obwohl nanopillar-basierte SRRs zeigen hohe Q-Faktoren und viel versprechende Mess Fähigkeiten, die Herstellung solcher nanostructures mit hohen Aspektverhältnissen (mehr als 40) und nanoskaligen Spalte (unter 10 nm) über eine große Fläche bleibt eine Herausforderung 13.
Die am häufigsten verwendete Technik nanoskalige Strukturen herzustellen , ist der Elektronenstrahllithographie (EBL) 14, 15, 16, 17. Jedoch ist die Auflösung von EBL noch aufgrund der Strahlpunktgröße beschränkt, Elektronenstreuung, die Eigenschaften des Resists und der Entwicklung 18, 19. Darüber hinaus ist es nicht praktisch Nanostrukturen aufgrund einer langsamen Prozesszeit und große Prozesskosten 20 unter Verwendung EBL über eine große Fläche herzustellen. Eine andere Strategie , Nanostrukturen zu erreichen , ist eine Selbstmontage – Technik zu verwenden , 21, 22. Durch selbstorganisierende Metall-Nanowürfel (NCS) in einer Lösung und utilllen die elektrostatische Wechselwirkung und die Assoziation von Polymerliganden zwischen NCs, kann eine gut organisierte eindimensionalen NC – Array mit nanoskaligen Lücken 23 erreicht werden. Die Nanospaltgröße hängt von den Polymerliganden zwischen den NCs und kann durch Anwendung verschiedener Polymermaterialien mit unterschiedlichen Molekulargewichten von 24, 25, 26 gesteuert werden. Selbstorganisation ist eine leistungsstarke Technik zur Erzielung skalierbar und kosteneffizient Nanostrukturen 23. Jedoch ist der Herstellungsprozeß komplizierter im Vergleich zu herkömmlichen Mikro- und Nano-Fertigungsprozesse und die Steuerung von Nanospaltgrößen ist nicht präzise genug für elektronische Geräteanwendungen. i) das Herstellungsverfahren ist einfach anzuwenden und ist kompatibel mit den Konventionen: Um nanopillar-basierte SRRs erfolgreich herzustellen, ein neuartiges Herstellungsverfahren sollten die folgenden Ziele zu erreichen erfunden werdenal Mikro- und Nanoherstellungsverfahren; ii) Herstellung über einen großen Bereich anwendbar ist; iii) Nanospaltgrößen lassen sich leicht und präzise mit einer 0,1 nm Auflösung gesteuert und kann auf 10 nm oder weniger herunterskaliert werden.
Ein neues Herstellungsverfahren unter Verwendung der Kombination aus einem galvanischen Prozess demonstriert und eine Atomlagenabscheidung (ALD) Verfahren nanopillar Basis SRRs herzustellen. Da Galvanik ein selbst Füllvorgang mit niedrigen Kosten ist, ist es einfach, Strukturen über eine große Fläche herzustellen. ALD ist eine chemische Dampfabscheidung (CVD) Prozess, der gerade durch die Reaktionszyklus während des Prozesses gesteuert werden kann. Die Auflösung des ALD – Dünnschicht kann 0,1 nm, und der Dünnfilm gleichmäßig mit hoher Qualität beschichtet, die geeignet ist , um nanoskalige Lücken 27, 28 schaffen. Nanopillar Basis SRR Array mit 10 nm Lücken oder weniger erfolgreich auf einer Fläche von 6 mm × 6 mm hergestellt werden. Sowohl simulated und gemessen THz-Transmissionsspektren zeigen Resonanzverhalten mit extrem hohen Q-Faktoren und großen Frequenzverschiebungen, die die Durchführbarkeit der nanopillar-basierten SRRs durch Verschiebungsstrom vermittelt beweist. Die detaillierten Herstellungsverfahren wird unten im Protokoll Abschnitt beschrieben, und das Video-Protokoll kann Praktiker den Herstellungsprozess zu helfen, zu verstehen und häufige Fehler bei der Herstellung von nanopillar-basierten SRRs assoziiert zu vermeiden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Herstellungstechnik hat erhebliche Vorteile für nanoskalige Strukturen gegenüber bestehenden Verfahren wie Elektronenstrahllithographie und Selbstorganisation zu schaffen. Erstens nanoskalige Strukturen können über einen großen Bereich (ein ganzer Wafer) unter Verwendung einer Photomaske realisiert werden, die nanopillar Anordnungen verfügt, die mit einem E-Strahl-Lithographieverfahren nicht praktikabel ist. Zweitens verwendet der Herstellungsprozeß eine traditionelle Wafermaßstab Mikroherstellungsverfahre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dieses Material beruht auf von einem Start-up-Fonds an der University of Minnesota, Twin Cities unterstützt Arbeit. Teile dieser Arbeit wurden in der Charakterisierung der Einrichtung, University of Minnesota, einem Mitglied der NSF-geförderte Materialforschung Einrichtungen Network (www.mrfn.org) über das MRSEC Programm durchgeführt. Ein Teil dieser Arbeit wurde auch in der Minnesota Nano-Center durchgeführt, die von der NSF durch das NNCI Programm teilweise Unterstützung erhält.
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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