Fabbricazione di Nanopillar-Based Split Ring risonatori di corrente di spostamento mediata Risonanze a Terahertz metamateriali
Summary
Un protocollo per la progettazione e la realizzazione di un anello spaccato romanzo risonatore nanopillar-based (SRR) è presentato.
Abstract
Terahertz (THz) anello spaccato risonatore (SRR) metamateriali (MMS) è stato studiato per il gas, chimica, e applicazioni di rilevamento biomolecolari perché la SRR non è influenzata dalle caratteristiche ambientali come la temperatura e la pressione che circonda il risonatore. La radiazione elettromagnetica in frequenze THz è biocompatibile, che è una condizione critica appositamente per l'applicazione del rilevamento biomolecolare. Tuttavia, il fattore di qualità (Q-factor) e risposte in frequenza di tradizionale basato risonatore anello elastico a film sottile (SRR) MM sono molto bassi, il che limita la loro sensibilità e la selettività come sensori. In questo lavoro, nuovi MMS SRR nanopillar-based, che utilizza corrente di spostamento, sono progettati per migliorare il fattore Q fino a 450, che è circa 45 volte superiore a quella di MMS tradizionali basati su film sottile. Oltre alla maggiore fattore Q, i MM nanopillar basato inducono una grande spostamenti di frequenza (17 volte rispetto allo spostamento ottenuto dalla tradizioneal film sottile basati MM). A causa dei fattori Q significativamente migliorate e spostamenti di frequenza, nonché la struttura della radiazione biocompatibile, SRR nanopillar basato THz sono MMs ideali per lo sviluppo di sensori biomolecolari con elevata sensibilità e selettività senza indurre danni o distorsione biomateriali. Un processo di fabbricazione romanzo è stato dimostrato per costruire le SRR nanopillar-based per gli MMS THz corrente di spostamento mediate. A (Au) processo di elettrodeposizione in due fasi d'oro e di un processo di deposizione di strati atomici (ALD) sono usati per creare le lacune sub-10 nm scala tra Au nanopillars. Poiché il processo ALD è un processo di rivestimento conforme, un ossido di alluminio uniforme (Al 2 O 3) strato di spessore scala nanometrica può essere raggiunto. In sequenza galvanica un altro film sottile Au per riempire gli spazi tra Al 2 O 3 e Au, un vicino ricco di Au-Al 2 O 3 -Au struttura con nano-scala di Al 2 O 3 lacune possono esserefabbricato. La dimensione dei nano-gap può essere ben definita controllando accuratamente i cicli di deposizione del processo ALD, che ha una precisione di 0,1 nm.
Introduction
Terahertz (THz) metamaterials (MMS) sono stati sviluppati per sensori e dispositivi 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 frequenza agile biomediche. Al fine di migliorare la sensibilità e la frequenza selettività dei THz sensori MM, un nanopillar-based anello elastico risonatore (SRR) è stato progettato utilizzando corrente di spostamento generato all'interno di oro (Au) array nanopillar per eccitare risonanze THz con fattori di altissima qualità ( Q-fattori) (~ 450) (Figura 1) 12. Anche se SRR nanopillar basata mostrano Q-fattori alti e le capacità di rilevamento promettenti, fabbricazione di tale nanostructures con proporzioni elevate (più di 40) e le lacune su scala nanometrica (sub-10 nm) su una vasta area rimane difficile 13.
La tecnica più comunemente usata per fabbricare strutture su scala nanometrica è a fascio elettronico litografia (EBL) 14, 15, 16, 17. Tuttavia, la risoluzione di EBL è ancora limitato a causa della dimensione del punto del fascio, scattering di elettroni, proprietà del resist, e il processo di sviluppo 18, 19. Inoltre, non è pratico per fabbricare nanostrutture utilizzando EBL su una vasta area a causa di un tempo di processo lento e ampio processo costa 20. Un'altra strategia per raggiungere nanostrutture è usare una tecnica di auto-assemblaggio 21, 22. Con nanocubi metallo autoassemblanti (NC) in una soluzione e utilizing l'interazione elettrostatica e l'associazione di ligandi di polimeri tra NC, un ben organizzato serie NC unidimensionale con le lacune nano-scala può essere raggiunto 23. Le dimensioni nano-gap dipende leganti polimerici tra le NC e può essere controllata applicando diversi materiali polimerici con diversi pesi molecolari 24, 25, 26. Auto-assemblaggio è una tecnica potente per ottenere scalabili e convenienti nanostrutture 23. Tuttavia, il processo di fabbricazione è più complicato rispetto ai processi di micro e nano fabbricazione convenzionali e il controllo di dimensioni nano-gap non è sufficientemente preciso per applicazioni del dispositivo elettronico. Al fine di realizzare con successo SRR nanopillar-based, un metodo di fabbricazione romanzo dovrebbe essere inventato per raggiungere i seguenti obiettivi: i) il processo di fabbricazione è di facile applicazione ed è compatibile con la convenzioneAl micro e nano fabbricazione processi; ii) la fabbricazione su una vasta area è applicabile; iii) dimensioni nano-gap possono essere facilmente e precisamente controllati con una risoluzione di 0,1 nm e possono essere scalati fino a 10 nm o meno.
Un metodo di fabbricazione romanzo è dimostrata utilizzando la combinazione di un processo di elettrodeposizione e un processo atomico deposizione di strati (ALD) per fabbricare SRR nanopillar-based. Poiché elettroplaccatura è un processo di auto-riempimento con basso costo, è facile fabbricare strutture su una vasta area. ALD è un processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD) che può essere controllata in modo preciso dal ciclo di reazione durante il processo. La risoluzione del film sottile ALD può essere di 0,1 nm, e il film sottile è uniformemente rivestita con una qualità elevata, che è adatto per creare pause nano-scala 27, 28. Nanopillar a base di serie SRR con 10 lacune nm o inferiori, può essere fabbricato con successo su una superficie di 6 mm × 6 mm. sia sGli spettri di trasmissione THz imulated e misurati mostrano comportamenti risonanti con ultra-alto Q-fattori e grandi spostamenti di frequenza, il che dimostra la fattibilità delle SRR nanopillar basati mediate da corrente di spostamento. Il processo di fabbricazione dettagliato è descritto di seguito nella sezione del protocollo, e il protocollo video può aiutare i professionisti a comprendere il processo di fabbricazione ed evitare errori comuni associati con la realizzazione di SRR nanopillar-based.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questa tecnica di fabbricazione ha vantaggi significativi per la creazione di strutture su scala nanometrica rispetto ai metodi esistenti quali la litografia e-beam e di auto-assemblaggio. In primo luogo, le strutture nano-scala possono essere realizzati su una vasta area (un intero wafer) con una fotomaschera che dispone di array nanopillar, che non è pratico con un processo di litografia e-beam. In secondo luogo, il processo di fabbricazione utilizza un processo di fabbricazione tradizionale scala wafer micro, che è…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo materiale si basa su lavoro sostenuto da un fondo di start-up presso l'Università del Minnesota, Twin Cities. Alcune parti di questo lavoro sono state effettuate nella caratterizzazione strumento, Università del Minnesota, un membro del NSF-finanziato Materials Research Servizi di rete (www.mrfn.org) tramite il programma MRSEC. Una porzione di questo lavoro è stata effettuata anche nel Minnesota Nano Center che riceve supporto parziale dal NSF attraverso il programma 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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