Tillverkning av Nanopillar-Based delad ring resonatorer för förskjutningsström medierade resonanser i terahertz Metamaterial
Summary
Ett protokoll för konstruktion och tillverkning av en ny nanopillar baserad delad ring resonator (SRR) presenteras.
Abstract
Terahertz (THz) delad ring resonator (SRR) metamaterial (MMS) har studerats för gas, kemisk och biomolekylära analystillämpningar eftersom SRR inte påverkas av miljöegenskaper såsom temperatur och tryck som omger resonatorn. Elektromagnetisk strålning i THz frekvenser är biokompatibel, vilket är ett kritiskt tillstånd, särskilt för tillämpning av den biomolekylära avkänning. Emellertid kvalitetsfaktorn (Q-faktor) och frekvenssvar av traditionell tunnfilms baserad delad ring resonator (SRR) MMS är mycket låga, vilket begränsar deras känslighet och selektivitet som sensorer. I detta arbete, nya nanopillar baserad SRR MMS, som utnyttjar förskjutningsström, är utformade för att öka Q-faktor upp till 450, vilket är cirka 45 gånger högre än för traditionella tunnfilmsbaserade MMS. Förutom den förbättrade Q-faktor, de nanopillar baserade MMS inducera större frekvensskift (17 gånger jämfört med förskjutningen erhålles genom traditionenal tunnfilmsbaserade MMS). På grund av de avsevärt förbättrade Q-faktorer och frekvensskift samt egendom biokompatibla strålning, THz nanopillar baserade SRR är idealiska MMS för utveckling av biomolekylära sensorer med hög känslighet och selektivitet utan att inducera skador eller snedvridning biomaterial. En ny tillverkningsprocess har visats för att bygga de nanopillar baserade SRRS för förskjutningsström medierade THz MMS. En två-steg guld (Au) galvanisering process och ett atomlager nedfall (ALD) process används för att skapa under 10 nm skala mellanrum mellan Au nanopillars. Eftersom ALD processen är en konform beläggningsprocess, en enhetlig aluminiumoxid (Al 2 O 3) skikt med nanometerskala tjocklek kan uppnås. Genom att sekventiellt galvanisering annan Au tunn film för att fylla utrymmena mellan Al 2 O 3 och Au, en tätpackad Au-Al 2 O 3 au struktur med nano-skala Al 2 O 3 luckor kan varatillverkas. Storleken på nano luckor kan vara väl definierade genom att exakt styra deponerings cykler av ALD process, som har en noggrannhet på 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamaterial (MMS) har utvecklats för biomedicinska sensorer och frekvens-agile anordningar 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. För att förbättra känsligheten och frekvens selektivitet av THz MM sensorer har en nanopillar baserad delad ring resonator (SRR) har konstruerats med hjälp av förskjutningsström som genereras i guld (Au) nanopillar arrayer att excitera THz resonanser med ultrahög kvalitetsfaktorer ( Q-faktorer) (~ 450) (Figur 1) 12. Även om nanopillar baserade SRRS visar höga Q-faktorer och lovande sensor förmågor, tillverkning av sådana nanostructures med hög bildformat (mer än 40) och nanoskala luckor (sub-10 nm) över ett stort område är fortsatt utmanande 13.
Den vanligast använda tekniken för att tillverka nanoskala strukturer är elektron-strålelitografi (EBL) 14, 15, 16, 17. Men upplösningen av EBL fortfarande begränsad på grund av strålens punktstorlek, elektron spridning, egenskaper hos motstånd, och utvecklingsprocessen 18, 19. Dessutom är det inte praktiskt att tillverka nanostrukturer med hjälp av EBL över ett stort område på grund av en långsam process tid och stora processkostnader 20. En annan strategi för att uppnå nanostrukturer är att använda en självmonteringsteknik 21, 22. Genom självsamlande metall nanocubes (NCS) i en lösning och utilizing den elektrostatiska växelverkan och föreningen av polymera ligander mellan NCS kan en välorganiserad endimensionell NC array med nanoskala luckor uppnås 23. Nano-gapstorleken beror på polymerligander mellan NCS och kan styras genom att använda olika polymermaterial med olika molekylvikter 24, 25, 26. Självorganisering är en kraftfull teknik för att uppnå skalbara och kostnadseffektiva nanostrukturer 23. Dock är tillverkningsprocessen mer komplicerat jämfört med konventionella mikro- och nanotillverkningsprocesser och kontroll av nanospaltstorlekar är inte tillräckligt exakt för elektroniska applikationer enhet. För att framgångsrikt tillverka nanopillar baserade SRRS, bör en ny tillverkningsmetod uppfinnas för att uppnå följande mål: i) tillverkningsprocessen är lätt att applicera och är kompatibel med konventionenal mikro- och nanotillverkningsprocesser; ii) tillverkning över ett stort område är tillämplig; iii) nano-gap storlekar kan enkelt och exakt kontrolleras med en 0,1 nm upplösning och kan skalas ner till 10 nm eller mindre.
En ny tillverkningsmetod visas med användning av kombinationen av en elektropläteringsprocess och ett atomskikt deponering (ALD) process för att fabricera nanopillar baserade SRRS. Eftersom galvanisering är en självfyllande process med låg kostnad, är det lätt att tillverka strukturer över ett stort område. ALD är en kemisk förångningsdeposition (CVD) process som kan styras exakt av reaktionscykeln under processen. Upplösningen hos ALD tunn film kan vara 0,1 nm, och den tunna filmen är jämnt belagd med en hög kvalitet, som är lämplig för att skapa nanoskala gapen 27, 28. Nanopillar baserade SRR array med 10 nm mellanrum eller mindre framgångsrikt kan tillverkas över ett område på 6 mm x 6 mm. båda ärimulated och uppmätta THz transmissionsspektra visar resonans beteenden med ultrahög Q-faktorer och stora frekvensförskjutningar, vilket bevisar möjligheten av nanopillar baserade SRRS förmedlas av förskjutningsström. Den detaljerade tillverkningsprocess beskrivs nedan i protokollet avsnittet och videoprotokollet kan hjälpa utövare att förstå tillverkningsprocessen och undvika vanliga misstag i samband med tillverkning av nanopillar baserade SRRS.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna tillverkningsteknik har betydande fördelar för att skapa nanoskala strukturer över existerande metoder såsom elektronstrålelitografi och självorganisering. För det första kan nanoskala strukturer realiseras över ett stort område (en hel skiva) med användning av en fotomask som funktioner nanopillar arrayer, vilket inte är praktiskt med en E-strålelitografi process. För det andra använder tillverkningsprocessen en traditionell skivskala mikrotillverkningsprocess, vilket är mycket snabbare, enklare o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta material är baserat på arbete som stöds av en startfond vid University of Minnesota, Twin Cities. Delar av detta arbete genomfördes i Characterization Facility, University of Minnesota, en medlem av NSF-finansierade Materials Research faciliteter Network (www.mrfn.org) via MRSEC programmet. En del av detta arbete genomfördes också i Minnesota Nano Center som får delvis stöd från NSF genom NNCI programmet.
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).
