La fabricación de resonadores de anillo partido basadas en nanopilares para la corriente de desplazamiento mediadas resonancias en terahercios metamateriales
Summary
Se presenta un protocolo para el diseño y fabricación de un nuevo resonador de anillo partido basado en nanopilares (SRR).
Abstract
Terahertz (THz) resonador anillo partido (SRR) metamateriales (MMS) se ha estudiado para el gas, productos químicos, y aplicaciones de detección biomoleculares porque el SRR no se ve afectada por las características ambientales, como la temperatura y la presión que rodea el resonador. La radiación electromagnética en las frecuencias de THz es biocompatible, lo que es una condición crítica, especialmente para la aplicación de la detección biomolecular. Sin embargo, el factor de calidad (factor Q) y las respuestas de frecuencia del resonador de anillo partido basado en película fina tradicional (SRR) MM son muy bajos, lo que limita su sensibilidad y selectividad como sensores. En este trabajo, nuevos MM-SRR basado nanopilares, utilizando corriente de desplazamiento, están diseñados para mejorar el factor Q hasta 450, que es de alrededor de 45 veces mayor que la de los MM tradicionales basados en película delgada. Además del factor Q mayor, los MMs a base de inducir una nanopilares cambios de frecuencia más grandes (17 veces en comparación con el desplazamiento obtenido por la tradiciónal MM a base de película delgada). Debido a los factores Q mejoradas significativamente y cambios de frecuencia, así como la propiedad de la radiación biocompatible, el SRR basada en nanopilares THz son MMS ideales para el desarrollo de sensores biomoleculares con alta sensibilidad y selectividad, sin ocasionar daños o distorsión de los biomateriales. Un nuevo proceso de fabricación se ha demostrado para construir los SRR basado en nanopilares para MMS THz mediadas corriente de desplazamiento. A dos pasos de oro (Au) proceso de galvanoplastia y un proceso de deposición de capa atómica (ALD) se utilizan para crear vacíos sub-10 nm escala entre Au nanopilares. Dado que el proceso es un proceso ALD revestimiento de conformación, un óxido de aluminio uniforme (Al 2 O 3) capa con espesor a escala nanométrica puede ser alcanzado. Por galvanoplastia secuencialmente otra película delgada de Au para llenar los espacios entre Al 2 O 3 y Au, una de empaquetamiento compacto Au-Al 2 O 3 -Au estructura con nano-escala de Al 2 O 3 lagunas pueden serfabricado. El tamaño de las nano-huecos puede estar bien definida controlando con precisión los ciclos de deposición del proceso de ALD, que tiene una precisión de 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamateriales (MMS) se han desarrollado para sensores biomédicos y dispositivos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 de frecuencia ágil. Con el fin de mejorar la sensibilidad y la frecuencia de la selectividad de los THz sensores mm, una basada en nanopilares anillo partido resonador (SRR) se ha diseñado utilizando la corriente de desplazamiento generado en el interior de oro (Au) matrices nanopilares para excitar resonancias THz con factores de ultra alta calidad ( factores Q) (~ 450) (Figura 1) 12. A pesar de que las RSR basada en nanopilares muestran altos factores Q y capacidades de detección prometedores, fabricación de tales nanostructurí con altas relaciones de aspecto (más de 40) y las lagunas de nano escala (sub-10 nm) en una amplia zona sigue siendo un reto 13.
La técnica más utilizada para fabricar estructuras a escala nanométrica es la litografía por haz de electrones (EBL) 14, 15, 16, 17. Sin embargo, la resolución de EBL está todavía limitada debido a el tamaño del punto del haz, la dispersión de electrones, las propiedades de la capa protectora, y el proceso de desarrollo 18, 19. Además, no es práctico para la fabricación de nanoestructuras usando EBL en una gran superficie debido a un tiempo de proceso lento y cuesta gran proceso 20. Otra estrategia para lograr nanoestructuras es utilizar una técnica de auto-ensamblaje 21, 22. Por nanocubos de metal de autoensamblaje (CN) en una solución y utilizing la interacción electrostática y la asociación de ligandos poliméricos entre los CN, una matriz unidimensional NC bien organizado, con lagunas de nano escala se puede lograr 23. El tamaño nano-gap depende de los ligandos de polímero entre los CN y puede ser controlado mediante la aplicación de diferentes materiales poliméricos con diferentes pesos moleculares 24, 25, 26. El autoensamblaje es una poderosa técnica para el logro de nanoestructuras escalables y rentables 23. Sin embargo, el proceso de fabricación es más complicado en comparación con los procesos de micro y nano de fabricación convencionales, y el control de los tamaños de nano-GAP no es suficientemente precisa para aplicaciones de dispositivos electrónicos. Con el fin de fabricar con éxito SRR basada en nanopilares, un nuevo método de fabricación deben ser inventó para lograr los siguientes objetivos: i) el proceso de fabricación es fácil de aplicar y es compatible con la convenciónmicro y nano fabricación de procesos al; ii) la fabricación en una gran superficie es aplicable; iii) tamaños nano-gap pueden ser controlados fácilmente y con precisión con una resolución de 0,1 nm y se pueden escalar hasta 10 nm o menos.
Un nuevo método de fabricación se demuestra mediante la combinación de un proceso de galvanoplastia y un proceso de deposición atómica capa (ALD) para fabricar SRR basado en nanopilares. Desde galvanoplastia es un proceso de auto-llenado de bajo costo, es fácil de fabricar estructuras sobre un área grande. ALD es un proceso de deposición química de vapor (CVD) que puede ser controlada con precisión por el ciclo de reacción durante el proceso. La resolución de película delgada puede ser ALD 0,1 nm, y la película delgada se recubre uniformemente con una alta calidad, que es adecuado para crear vacíos nano-escala de 27, 28. array SRR basado en nanopilares con 10 lagunas nm o menos se puede fabricar con éxito en un área de 6 mm x 6 mm. ambos sLos espectros de transmisión THz imulated y medidos muestran comportamientos resonantes con ultra-alta Q-factores y grandes cambios de frecuencia, lo que demuestra la viabilidad de las SRR basada en nanopilares mediadas por la corriente de desplazamiento. El proceso de fabricación detallado se describe a continuación en la sección de protocolo y el protocolo de vídeo puede ayudar a los médicos a comprender el proceso de fabricación y evitar errores comunes asociados con la fabricación de las RSR basada en nanopilares.
Protocol
Representative Results
Discussion
Esta técnica de fabricación tiene ventajas significativas para la creación de estructuras a escala nanométrica sobre los métodos existentes, tales como la litografía por haz de electrones y la auto-ensamblaje. En primer lugar, las estructuras de escala nanométrica se pueden realizar sobre un área grande (toda una oblea), utilizando una fotomáscara que cuenta con arrays nanopilares, que no es práctico con un proceso de litografía por haz de electrones. En segundo lugar, el proceso de fabricación utiliza un pr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este material está basado en trabajo apoyado por un fondo de la puesta en marcha de la Universidad de Minnesota, Twin Cities. Las partes de este trabajo se llevaron a cabo en el Centro de Caracterización de la Universidad de Minnesota, un miembro de la NSF-financiado Investigación de Materiales Instalaciones de red (www.mrfn.org) a través del programa MRSEC. Una parte de este trabajo también se llevó a cabo en el Centro de Nano Minnesota, que recibe el apoyo parcial de la NSF a través del programa 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 |
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