Fabrication d'anneaux résonateurs fendus nanopilier-Based pour courant de déplacement Mediated Résonances en térahertz métamatériaux
Summary
Un protocole pour la conception et la fabrication d'une base nanopilier-roman anneau fendu résonateur (SRR) est présenté.
Abstract
Terahertz (THz) anneau fendu résonateur (SRR) métamatériaux (SMM) a été étudié pour le gaz, chimique, et les applications de détection biomoléculaires parce que le SRR est pas affectée par les caractéristiques environnementales telles que la température et la pression entourant le résonateur. un rayonnement électromagnétique à des fréquences THz est biocompatible, ce qui est une condition critique en particulier pour l'application de la détection de biomolécules. Cependant, le facteur de qualité (Q-factor) et les réponses en fréquence de couches minces à base de résonateur traditionnel anneau fendu (SRR) MMs sont très faibles, ce qui limite leur sensibilité et sélectivité des capteurs. Dans ce travail, les nouveaux MMs SRR base nanopilier, en utilisant le courant de déplacement, sont conçus pour améliorer le facteur Q jusqu'à 450, ce qui est environ 45 fois plus élevé que celui des MMs traditionnels à base de couches minces. En plus du facteur Q amélioré, les MMs base nanopilier-induisent un plus grand décalages de fréquence (17 fois par rapport au décalage obtenu par la traditional film mince de MMs base). En raison des facteurs Q considérablement améliorées et des décalages de fréquence, ainsi que la propriété de rayonnement biocompatible, la SRR à base de nanopilier-THz sont MMs idéales pour le développement de capteurs biomoléculaires avec une grande sensibilité et une sélectivité sans induire des dommages ou une distorsion de biomatériaux. Un nouveau procédé de fabrication a été démontré pour construire les RRF à base nanopilier-MMs pour THz courant de déplacement à médiation. A (Au) processus de galvanoplastie en deux étapes d'or et une (ALD) processus de dépôt de couches atomiques sont utilisés pour créer des lacunes sous-10 nm échelle entre Au nanopiliers. Étant donné que le procédé ALD est un procédé de revêtement enrobant, d' un oxyde d'aluminium uniforme (Al 2 O 3) avec une épaisseur de couche à l' échelle nanométrique peut être réalisée. Par galvanoplastie séquentiellement un autre film mince Au pour remplir les espaces entre Al 2 O 3 et Au, un gros emballé Au-Al 2 O 3 -Au structure à l' échelle nanométrique Al 2 O 3 lacunes peuvent êtrefabriqué. La taille des nano-trous peut être bien définie en contrôlant avec précision les cycles de dépôt du procédé ALD, qui a une précision de 0,1 nm.
Introduction
Térahertz (THz) métamatériaux (SMM) ont été développées pour des capteurs et des dispositifs biomédicaux 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 agile en fréquence. Afin d'améliorer la sensibilité et la sélectivité en fréquence des THz capteurs MM, une base nanopilier-anneau fendu résonateur (SRR) a été conçu en utilisant un courant de déplacement généré à l'intérieur de l'or (Au) matrices de nanopilier pour exciter des résonances THz avec des facteurs ultra-haute qualité ( Q-facteurs) (~ 450) (figure 1) 12. Même si RRF basée nanopilier-montrent Q élevé des facteurs et des capacités de détection prometteuses, la fabrication de tels nanostructures avec des rapports d'aspect élevés (plus de 40) et les lacunes à l' échelle nanométrique (sub-10 nm) sur une grande surface reste difficile 13.
La technique la plus couramment utilisée pour fabriquer des structures à l' échelle nanométrique est lithographie électronique (EBL) 14, 15, 16, 17. Cependant, la résolution de EBL est encore limitée en raison de la taille du point de faisceau, la diffusion des électrons, les propriétés de la résine, et le processus de développement 18, 19. En outre, il est peu pratique pour fabriquer des nanostructures utilisant EBL sur une grande surface en raison d'un temps de processus lent et coûte un grand processus 20. Une autre stratégie pour obtenir des nanostructures consiste à utiliser une technique d' auto-assemblage 21, 22. Par nanocubes métalliques auto-assemblés (CN) dans une solution et utilizing l'interaction électrostatique et l'association des ligands polymères entre NCS, un bien organisé unidimensionnel tableau NC avec des lacunes à l' échelle nanométrique peut être atteint 23. La taille des nano-fente dépend des ligands de polymère entre les commandes numériques et peut être contrôlée en appliquant différents matériaux polymères ayant des poids moléculaires différents 24, 25, 26. L' auto-assemblage est une technique puissante pour atteindre nanostructures évolutives et rentables 23. Cependant, le processus de fabrication est plus complexe par rapport aux micro et nano fabrication des procédés classiques, et le contrôle des tailles nano-gap est pas assez précis pour des applications de dispositifs électroniques. Afin de fabriquer avec succès RRF base nanopilier, un procédé de fabrication roman doit être inventé pour atteindre les objectifs suivants: i) le processus de fabrication est facile à appliquer et est compatible avec la conventional micro et nano fabrication processus; ii) la fabrication sur une grande surface est applicable; iii) la taille nano-gap peuvent être facilement et précisément contrôlé avec une résolution de 0,1 nm et peuvent être réduites à 10 nm ou moins.
Un procédé de fabrication nouvelle est démontrée en utilisant la combinaison d'un processus de galvanoplastie et un dépôt de couche (ALD) processus atomique pour fabriquer RRF à base nanopilier. Depuis la galvanoplastie est un processus d'auto-remplissage avec un faible coût, il est facile de fabriquer des structures sur une grande surface. ALD est un procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), qui peut être contrôlé précisément par le cycle de réaction pendant le processus. La résolution du film mince ALD peut être de 0,1 nm, et le film mince est uniformément revêtu d'une haute qualité, qui est adapté pour créer des lacunes à l' échelle nanométrique 27, 28. SRR tableau à base de nanopilier-10 avec des lacunes nm ou moins peut être fabriqué avec succès sur une superficie de 6 mm x 6 mm. Les deux sLes spectres de transmission THz imulated et mesurées montrent des comportements de résonance avec ultra-haute Q-facteurs et les grands décalages de fréquence, ce qui prouve la faisabilité des RRF basée nanopilier médiées par le courant de déplacement. Le procédé de fabrication détaillé est décrit ci-dessous dans la section de protocole, et le protocole vidéo peut aider les praticiens à comprendre le processus de fabrication et d'éviter les erreurs courantes associées à la fabrication de SRR à base nanopilier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Cette technique de fabrication présente des avantages importants pour la création de structures à l'échelle nanométrique par rapport aux méthodes existantes telles que la lithographie par faisceau d'électrons et de l'auto-assemblage. Tout d'abord, les structures à l'échelle nanométrique peuvent être réalisées sur une grande surface (toute une plaquette) en utilisant un photomasque qui présente des tableaux de nanopilier, ce qui est pas pratique avec un procédé de lithographie par fais…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce matériel est basé sur le travail soutenu par un fonds de démarrage à l'Université du Minnesota, Twin Cities. Certaines parties de ce travail ont été effectuées dans l'installation de caractérisation, Université du Minnesota, un membre de la NSF financé par Materials Research Facilities (Network www.mrfn.org) via le programme MRSEC. Une partie de ce travail a également été réalisé dans le Nano Centre Minnesota qui reçoit un soutien partiel de la NSF à travers le programme 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 |
Referências
- 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).
