Summary

Изготовление Nanopillar-Based Split Ring резонаторы для тока смещения опосредованной резонансы в Терагерцовое метаматериалов

Published: March 23, 2017
doi:

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

Внимание: Некоторые из химических веществ, используемых в этих синтезов являются токсичными, легко воспламеняется, и может вызвать раздражение и серьезные повреждения органов при прикосновении или вдыхании. Пожалуйста, носите соответствующие средства индивидуальной защиты (СИЗ) при обращении. <…

Representative Results

Схемы их изготовления показывают каждый шаг (рис 2а-х). Оптические изображения (Рисунок 2y-AC) и с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) изображения (рис 2AD-Ag) были собраны для nanopillar на основе SRRs на различных стадиях изготовления. А…

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?…

Disclosures

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing. J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).
  4. Chen, T., Li, S., Sun, H. Metamaterials application in sensing. Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).
  5. Jaruwongrungsee, K., et al. Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing. Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).
  6. Han, J., Lakhtakia, A. Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials. J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).
  7. 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).
  8. Naqui, J., Durán-Sindreu, M., Martín, F. Alignment and position sensors based on split ring resonators. Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).
  9. 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).
  10. Gil, I., et al. Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies. Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).
  11. Driscoll, T., et al. Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors. Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).
  12. Liu, C., et al. Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).
  13. 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).
  14. Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. Electron-beam fabrication of 80-Å metal structures. Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures. Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).
  18. Cord, B., et al. Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography. J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).
  19. Manfrinato, V. R., et al. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).
  20. Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres. SPIE Newsroom. , (2007).
  21. Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles. Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).
  22. 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).
  23. Klinkova, A., et al. Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes. Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).
  24. 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).
  25. Liu, K., et al. Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles. Science. 329 (5988), 197-200 (2010).
  26. 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).
  27. Chen, X., et al. Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves. Nat. Commun. 4 (2361), (2013).
  28. Nam, S., et al. Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition. Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).

Play Video

Cite This Article
Liu, C., Schauff, J., Lee, S., Cho, J. Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials. J. Vis. Exp. (121), e55289, doi:10.3791/55289 (2017).

View Video