Terahertz Metamaterials में विस्थापन वर्तमान मध्यस्थता अनुनादों के लिए nanopillar आधारित अंगूठी resonators विभाजित का निर्माण
Summary
डिजाइन और एक उपन्यास nanopillar आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) के निर्माण के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत किया है।
Abstract
Terahertz (THz) विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) metamaterials (एमएमएस) गैस, रसायन, और biomolecular संवेदन अनुप्रयोगों के लिए अध्ययन किया गया है क्योंकि SRR जैसे तापमान और दबाव गुंजयमान यंत्र आसपास के रूप में पर्यावरण विशेषताओं से प्रभावित नहीं है। THz आवृत्तियों में विद्युत चुम्बकीय विकिरण जो विशेष रूप से biomolecular संवेदन के आवेदन के लिए एक की हालत गंभीर है biocompatible है। हालांकि, गुणवत्ता कारक (क्यू कारक) और पारंपरिक पतली फिल्म आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र की आवृत्ति प्रतिक्रियाओं (SRR) एमएमएस बहुत कम हैं, जो सेंसर के रूप में उनकी संवेदनशीलता और चयनात्मकता की सीमा। इस काम में, उपन्यास nanopillar आधारित SRR एमएमएस, विस्थापन वर्तमान उपयोग, 450 अप करने के लिए क्यू कारक है, जो लगभग 45 बार पारंपरिक पतली फिल्म आधारित एमएमएस की तुलना में अधिक है बढ़ाने के लिए तैयार कर रहे हैं। बढ़ाया क्यू कारक के अलावा, nanopillar आधारित एमएमएस एक बड़ा आवृत्ति पारियों (पाली परंपरा से प्राप्त की तुलना में 17 गुना प्रेरितअल पतली फिल्म आधारित एमएमएस)। क्योंकि काफी बढ़ाया क्यू कारकों और आवृत्ति बदलाव के रूप में अच्छी तरह से biocompatible विकिरण की संपत्ति का, THz nanopillar आधारित SRR biomaterials के लिए नुकसान या विरूपण उत्प्रेरण के बिना उच्च संवेदनशीलता और चयनात्मकता के साथ biomolecular सेंसर के विकास के लिए आदर्श एमएमएस रहे हैं। एक उपन्यास निर्माण की प्रक्रिया विस्थापन वर्तमान मध्यस्थता THz एमएमएस के लिए nanopillar आधारित SRRs का निर्माण करने के लिए प्रदर्शन किया गया है। एक दो कदम सोने (एयू) विद्युत प्रक्रिया और एक परमाणु परत बयान (ALD) प्रक्रिया Au nanopillars के बीच उप-10 एनएम पैमाने अंतराल बनाने के लिए उपयोग किया जाता है। चूंकि ALD प्रक्रिया एक conformal कोटिंग की प्रक्रिया एक समान एल्यूमीनियम ऑक्साइड (अल 2 ओ 3) nanometer पैमाने मोटाई के साथ परत प्राप्त किया जा सकता है। क्रमिक रूप से एक और Au पतली फिल्म विद्युत अल 2 3 हे और Au, एक करीबी पैक Au-अल 2 3 हे -Au नैनो पैमाने के साथ संरचना के बीच रिक्त स्थान को भरने के लिए करके अल 2 3 हे अंतराल हो सकता हैगढ़ा हुआ। नैनो अंतराल के आकार में अच्छी तरह से ठीक ALD प्रक्रिया है, जो 0.1 एनएम के एक सटीकता है के बयान के चक्र को नियंत्रित करने से परिभाषित किया जा सकता है।
Introduction
Terahertz (THz) metamaterials (एमएमएस) जैव चिकित्सा सेंसरों और आवृत्ति चुस्त उपकरणों 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 के लिए विकसित किया गया है। THz एम.एम. सेंसर की संवेदनशीलता और आवृत्ति चयनात्मकता सुधार करने के लिए, एक nanopillar आधारित विभाजन की अंगूठी गुंजयमान यंत्र (SRR) विस्थापन वर्तमान सोने (एयू) के अंदर उत्पन्न का उपयोग कर nanopillar सरणियों अति उच्च गुणवत्ता वाले कारकों के साथ THz अनुनादों उत्तेजित करने के लिए (डिजाइन किया गया है क्यू कारकों) (~ 450) (चित्रा 1) 12। हालांकि nanopillar आधारित SRRs उच्च क्यू कारकों और होनहार संवेदन क्षमताओं, ऐसे nanostructur के निर्माण दिखानेउच्च पहलू अनुपात (40 से अधिक) और नैनो पैमाने अंतराल (उप-10 एनएम) एक बड़े क्षेत्र में साथ es चुनौतीपूर्ण 13 बनी हुई है।
सबसे अधिक इस्तेमाल तकनीक नैनो पैमाने पर संरचनाओं के निर्माण के लिए इलेक्ट्रॉन बीम लिथोग्राफी (EBL) 14, 15, 16, 17 है। हालांकि, EBL का संकल्प अभी भी बीम स्थान आकार, इलेक्ट्रॉन बिखरने, विरोध के गुण, और विकास की प्रक्रिया 18, 19 के कारण सीमित है। इसके अलावा, यह एक धीमी प्रक्रिया समय की वजह से एक बड़े क्षेत्र में EBL का उपयोग कर nanostructures निर्माण करने के लिए व्यावहारिक नहीं है और बड़े प्रक्रिया की लागत 20। एक और रणनीति nanostructures प्राप्त करने के लिए एक आत्म विधानसभा तकनीक 21, 22 का उपयोग करने के लिए है। एक समाधान है और util में स्वयं कोडांतरण धातु nanocubes (NCS) द्वाराइलेक्ट्रोस्टैटिक संपर्क और एनसीएस के बीच बहुलक ligands के संघ izing, एक अच्छी तरह से संगठित नैनो पैमाने अंतराल के साथ एक आयामी नेकां सरणी 23 प्राप्त किया जा सकता है। नैनो अंतराल के आकार एनसीएस के बीच बहुलक ligands पर निर्भर करता है और विभिन्न आणविक वजन 24, 25, 26 के साथ अलग अलग बहुलक सामग्री लगाने से नियंत्रित किया जा सकता है। आत्म विधानसभा स्केलेबल और लागत प्रभावी nanostructures 23 को प्राप्त करने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक है। हालांकि, निर्माण की प्रक्रिया पारंपरिक माइक्रो और नैनो निर्माण प्रक्रिया की तुलना में अधिक जटिल है, और नैनो की खाई आकार के नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस अनुप्रयोगों के लिए काफी सटीक नहीं है। आदेश में सफलतापूर्वक nanopillar आधारित SRRs बनाना करने के लिए, एक उपन्यास निर्माण विधि निम्नलिखित लक्ष्यों को प्राप्त करने का आविष्कार किया जाना चाहिए: i) निर्माण की प्रक्रिया लागू करने के लिए आसान है और सम्मेलन के साथ संगत हैअल माइक्रो और नैनो निर्माण प्रक्रिया; ii) एक बड़े क्षेत्र में निर्माण पर लागू होता है; iii) नैनो की खाई आकार आसानी से और ठीक एक 0.1 एनएम संकल्प के साथ नियंत्रित किया जा सकता है और 10 एनएम या कम करने के लिए नीचे पहुंचा जा सकता है।
एक उपन्यास निर्माण विधि nanopillar आधारित SRRs निर्माण करने के लिए एक विद्युत प्रक्रिया के संयोजन और एक परमाणु परत बयान (ALD) प्रक्रिया का उपयोग कर प्रदर्शन किया है। चूंकि विद्युत एक आत्म भरने कम लागत के साथ प्रक्रिया है, यह एक बड़े क्षेत्र में संरचनाओं के निर्माण के लिए आसान है। ALD एक रासायनिक वाष्प जमाव (सीवीडी) प्रक्रिया है कि ठीक प्रक्रिया के दौरान प्रतिक्रिया चक्र से नियंत्रित किया जा सकता है। ALD पतली फिल्म का संकल्प 0.1 एनएम हो सकता है, और पतली फिल्म में समान रूप से एक उच्च गुणवत्ता है, जो नैनो पैमाने अंतराल 27, 28 बनाने के लिए उपयुक्त है के साथ लेपित है। 10 एनएम अंतराल या उससे कम के साथ nanopillar आधारित SRR सरणी सफलतापूर्वक 6 मिमी × 6 मिमी के एक क्षेत्र में गढ़े जा सकता है। दोनों एसimulated और मापा THz संचरण स्पेक्ट्रा अति उच्च क्यू कारकों और बड़ी आवृत्ति पाली, जो nanopillar आधारित SRRs विस्थापन वर्तमान द्वारा मध्यस्थता की व्यवहार्यता साबित होता है के साथ सुनाई देती व्यवहार प्रदर्शित करते हैं। विस्तृत निर्माण की प्रक्रिया प्रोटोकॉल अनुभाग में नीचे वर्णित है, और वीडियो प्रोटोकॉल मदद कर सकते हैं चिकित्सकों के निर्माण की प्रक्रिया को समझने और nanopillar आधारित SRRs के निर्माण के साथ जुड़े आम गलतियों से बचने के लिए।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस निर्माण तकनीक में इस तरह के ई-बीम लिथोग्राफी और आत्म विधानसभा के रूप में मौजूदा तरीकों पर नैनो पैमाने पर संरचनाओं बनाने के लिए महत्वपूर्ण लाभ है। सबसे पहले, नैनो पैमाने पर संरचनाओं एक बड़े क्षेत्र (?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस सामग्री को काम मिनेसोटा, जुड़वा शहर के विश्वविद्यालय में एक स्टार्ट-अप कोष द्वारा समर्थित पर आधारित है। इस काम के कुछ हिस्सों विशेषता सुविधा, मिनेसोटा, NSF पोषित सामग्री अनुसंधान सुविधाएं नेटवर्क (www.mrfn.org) MRSEC कार्यक्रम के माध्यम से एक सदस्य के विश्वविद्यालय में किए गए। इस काम का एक हिस्सा भी मिनेसोटा नैनो केंद्र जो NNCI कार्यक्रम के माध्यम से NSF से आंशिक समर्थन प्राप्त करता है में किया गया।
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).
