Name: fabrication of nanopillar-based split ring resonators for displacement current mediated resonances in terahertz metamaterials
Uploaded: 2017-03-23T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 28 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials at JoVE.com

חומר זה מבוסס על עבודה נתמך על ידי קרן הזנק באוניברסיטת מינסוטה, ערים תאומות. חלקים של עבודה זו בוצעו במתקן אפיון, מאוניברסיטת מינסוטה, חבר של רשת מתקני מחקר חומרים במימון NSF (www.mrfn.org) באמצעות תוכנית MRSEC. חלק על עבודה זו בוצעה במרכז ננו מינסוטה המקבלת תמיכה חלקית מן NSF באמצעות תוכנית NNCI.

זהירות: כמה כימיקלים המשמשים סינתזות אלה הם רעילים, דליק מאוד, ועלול לגרום לגירוי ונזק איברים חמור כשנוגעים בהם או בשאיפה. אנא ללבוש ציוד מגן אישי מתאים (PPE) בעת הטיפול. 1. הכנה של השכבה הראשונה של זהב (Au) Nanopillar מערכים (איור-ג 2a ואיור 2E-ז) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנת נחושת (Cu) שכבות זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2 א, ב ואיור 2e, ו) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> השתמש רקיק 4 &quot;סיליקון התנגדות גבוהה (Si). (התנגדות: 560 - 840 Ω · ס&quot;מ) כמו המצע רקיק Si הוא מסוממים N-סוג ומלוטש בצד אחד (איור 2 א, ה). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חותכים את Si רקיק לתוך 2 ס&quot;מ × 2.5 ס&quot;מ חתיכות לשימוש מאוחר יותר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקיד כרום ננומטר 5 (Cr) שכבת על מדגם סי באמצעות תהליך אידוי אלומת אלקטרונים (E-beam) כנדבך הדבקה בין Si ו Cu. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקיד רובד Cu 10 ננומטר על גבי שכבת Cr הקיים באמצעותE-beam תהליך אידוי כמו שכבת זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2b, ו). </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Electroplating מערך nanopillar Au (איור 2 ג, ז) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דפוסי מערך nanopillar <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין מעיל photoresist על מדגם מוכן בסעיף 1.1 ב 2000 סל&quot;ד במשך 60 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אופים את המדגם על צלחת חמה ב 115 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לחשוף את photoresist תחת אולטרה סגול (UV) קלה (כוח של 2 ~ 15 mW / cm) עם photomask Cr המכיל אלפי דפוסים nanopillar עבור 22 s. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיתוח עם יזם עבור 90 s עם תסיסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם יונים (DI) מים ולפוצץ-לייבש את המדגם עם רובה אוויר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Electroplating מערך nanopillar Au <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסר את החלק העליון של photoresist על המדגם עם אצטון כדי לחשוף את שכבת זרע Cu לחיבור האלקטרודה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את סםple (שכבת זרע Cu) למסוף השלילי מטר מקור באמצעות מהדק חוט. במקרה זה, המדגם הוא האנודה במהלך תהליך אלקטרוליטי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר חתיכת פלטינה (Pt) מצופה Si (באותו גודל כמו המדגם) להדק החיובי של מד המקור. Pt הוא הקתודה במהלך תהליך אלקטרוליטי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול הוא קתודת Pt ו Cu לאנודה פתרון אלקטרוליטי Au. שמור את שתי אלקטרודות זה מול זה, תוך שמירת מרחק של ס&quot;מ 1 ~. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפעיל מונה מקור אספקת מתח קבוע של 1.12 V. Electroplate Au על המדגם עבור 8 דקות (שיעור בתצהיר: ~ 100 ננומטר / min). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די, ואחריו אצטון כדי להסיר את photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די שוב מכה-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את מערך nanopillar Au electroplated תחת מיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את עובי של nanopillars Au עם profilometer (עוביAu nanopillars הוא ~ 800 ננומטר). הערה: הגדרת זרם קבועה יכולה לשמש גם כדי Electroplate nanopillars Au. בשני המתח הקבועים קופץ סט זרם קבוע, המתח הנוכחי והאידיאלי המשמש אלקטרוליטי Au יכול להיות מושגת על ידי ניסוי וטעייה. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. יצירת-פערים ננו בין Au Nanopillars (איור 2, ח) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסרת שכבות Cr ו Cu <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול מדגם etchant Cu עד שצבע Cu נעלם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול מדגם etchant מסכת Cr עבור 10 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> המצאה של תחמוצת אלומיניום בקנה מידה ננו (Al 2 O 3) פערים <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מחמם את צ&#39;אם המערכת תלדבער 200 ° C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את הדוגמה במרכז החדר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> משאבה למטה בתא ואקום ולהגדיר את מספר מחזור ל -100 (שיעור בתצהיר: ~ 1 / מחזור). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ברצף ולחילופין הדופק trimethylaluminum (TMA) גז עם תקופת זמן של 0.015 ים ומים (H 2 O) אדי עם תקופת זמן של 0.015 שניות לתוך תא להפקיד באופן אחיד אל 2 O 3 שכבות על המדגם. פער הזמן בין דופק בכל הוא 5 ימים. הלחץ הקאמרי במהלך דופק TMA הוא 10 Torr והלחץ במהלך 2 H O אדי דופק הוא 2 Torr. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> טהר ושואבים אבק הקאמרי בין כל מחזור של בתצהיר. הפקדה אל 2 O 3 עבור 100 מחזורים ולהוציא המדגם מהאולם. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את עובי של 3 אלד אל 2 O באמצעות ellipsometer. </li></ol></li></ol> 3. הכנת את השכבה השנייה של סרט דק Au (איור 2i-l ואיור 2m-p) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכנת שכבות Cu זרע עבור אלקטרוליטי Au (איור 2i, מ &#39;) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הנח את הדוגמא במרכזו של בעל מדגם מאייד E-קורה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> כבה את הסיבוב של המדגם בשנת המאייד-קרן E. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקיד רובד 5 ננומטר Cr על מדגם לפעול כנדבך הדבקה בין אל 2 O 3 ו Cu. השתמש תהליך אידוי קורה אלקטרוני ללא רוטציה מדגמת. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפקדה של 10 ננומטר Cu על גבי שכבת Cr קיימת באמצעות תהליך אידוי הקורה אלקטרוני ללא רוטציה המדגם שכבת זרע עבור אלקטרוליטי Au. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Electroplating סרט Au הדק (איור 2J, n) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר את המדגם (שכבת זרע Cu) למסוף השלילי של מד המקור באמצעות מהדק חוט. במקרה זה, המדגם הוא האנודה במהלך תהליך אלקטרוליטי. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חבר הקתודה Pt להדק החיובי של מד המקור. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול הוא קתודת Pt ו Cu Anodדואר בפתרון אלקטרוליטי Au. שמור את שתי אלקטרודות זה מול זה, תוך שמירת מרחק של ס&quot;מ 1 ~. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הפעל את מקור מטר ולהקים מתח קבוע של 1.35 V ו- Electroplate Au על המדגם במשך 16 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את Au electroplated ואת מערך nanopillar electroplated Au בעבר תחת מיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מדוד את עובי של nanopillars Au עם profilometer (עובי של nanopillars Au הוא ~ 400 ננומטר). הערה: בדומה אלקטרוליטי Au בסעיף 1.2.2, הגדרת זרם קבועה יכולה לשמש גם כדי Electroplate Au סרט דק. בשני המתח הקבועים קופץ סט זרם קבוע, המתח הנוכחי והאידיאלי המשמש אלקטרוליטי Au יכול להיות מושגת על ידי ניסוי וטעייה. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הסרת שכבות Cr ו Cu (איור 2k, טו) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול מדגם etchant Cu עבור 10 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים דיד מכה-יבשה עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול מדגם etchant מסכת Cr עבור 10 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את nanopillars Au תחת מיקרוסקופ. הערה: לחילופין, להטביע את המדגם בפתרון אלקטרוליטי Au שוב להפקיד שכבה נוספת של Au על גבי שכבת Au electroplated השני לאחר הסרת Cr ו Cu (שלב 3.3). שכבה נוספת Au זה מגדיל את העובי הכולל של שכבת Au השני ומבטיח קשר טוב בין שכבת Au ואת השכבה אל 2 O 3 (איור 2i, עמ &#39;). </li></ol></li></ol> 4. הגדרת SRR C-צורה (איור 2Q-ים ואיור 2U-w) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דפוסים SRR C-צורה (איור 2Q, u) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ספין מעיל photoresist על מדגם ב -2,000 סל&quot;ד במשך 60 שניות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אופים את המדגם על צלחת חמה של 115 מעלות צלזיוס למשך 60 שניות. </li><li&gt; Expose photoresist תחת UV-אור (כוח של ~ 15 mW / cm 2) עם photomask Cr עבור 22 s. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> פיתוח עם יזם עבור 90 s עם תסיסה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-לייבש את המדגם עם רובה אוויר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הגדרת C-צורה בעזרת שהסיכויים (איור 2 יח &#39;, נ&#39; ואיור 2s, w) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> צרף המדגם על בעל מדגם שסיכויים באמצעות קלטת מוליך דו צדדית Cu. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקרר את תא שהסיכויים עד 6 מעלות צלזיוס. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יון טחנת המדגם עם מתח הקורה של 300 וולט ו זרם הקורה של 125 מילי-אמפר עבור ~ 30 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> קח את המדגם ולבדוק את nanopillars Au מחוץ בצורת C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 4.2.3 ו 4.2.4 אם Au עדיין גלוי מחוץ בצורת C. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Sonicate המדגם אצטון כדי להסיר את photoresist. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> בדוק את הדגימה תחת מיקרוסקופ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על שלב 4.2.6 ו -4.2.7 אם photoresist לא יוסר לחלוטין. הערה: לחלופין, חל חמצן להתנגד ריכוך מדרגות אל photoresist לפני הסרת photoresist. עם זאת, אמבטיה sonication היא השיטה היעילה ביותר להסיר photoresist אם זה אפשרי. </li></ol></li></ol> הסרת 5. אל 2 O 3 עבור האוויר ננו-פערים (2t איור, x) <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לצלול המדגם מימן פלואורי 5% פתרון (HF) במשך 5 דקות כדי להסיר אל 2 O 3. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את המדגם עם מים די ולפוצץ-יבש עם רובה אוויר. </li></ol>

<ol>
	<li>Xu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+visible-infrared+metamaterials+and+their+applications+in+highly+sensitive+chemical+and+biological+sensing.">Flexible visible-infrared metamaterials and their applications in highly sensitive chemical and biological sensing.</a> Nano Lett. 11 (8), 3232-3238 (2011).</li><li>Singh, R., Cao, W., Al-Naib, I., Cong, L., Withayachumnankul, W., Zhang, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasensitive+terahertz+sensing+with+high-Q+Fano+resonances+in+metasurfaces.">Ultrasensitive terahertz sensing with high-Q Fano resonances in metasurfaces.</a> Appl. Phys. Lett. 105 (17), 171101 (2014).</li><li>Torun, H., Top, F. C., Dundar, G., Yalcinkaya, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+antenna-coupled+split-ring+resonator+for+biosensing.">An antenna-coupled split-ring resonator for biosensing.</a> J. Appl. Phys. 116 (12), 124701 (2014).</li><li>Chen, T., Li, S., Sun, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metamaterials+application+in+sensing.">Metamaterials application in sensing.</a> Sensors. 12 (3), 2742-2765 (2012).</li><li>Jaruwongrungsee, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Microfluidic-based+Split-Ring-Resonator+Sensor+for+Real-time+and+Label-free+Biosensing.">Microfluidic-based Split-Ring-Resonator Sensor for Real-time and Label-free Biosensing.</a> Procedia Eng. 120, 163-166 (2015).</li><li>Han, J., Lakhtakia, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+split-ring+resonators+for+thermally+tunable+terahertz+metamaterials.">Semiconductor split-ring resonators for thermally tunable terahertz metamaterials.</a> J. Mod. Optic. 56 (4), 554-557 (2009).</li><li>Melik, R., Unal, E., Perkgoz, N. K., Puttlitz, C., Demir, H. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+metamaterials+for+wireless+strain+sensing.">Flexible metamaterials for wireless strain sensing.</a> Appl. Phys. Lett. 95 (18), 181105 (2009).</li><li>Naqui, J., Dur&#225;n-Sindreu, M., Mart&#237;n, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Alignment+and+position+sensors+based+on+split+ring+resonators.">Alignment and position sensors based on split ring resonators.</a> Sensors. 12 (9), 11790-11797 (2012).</li><li>Chiam, S., Singh, R., Gu, J., Han, J., Zhang, W., Bettiol, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Increased+frequency+shifts+in+high+aspect+ratio+terahertz+split+ring+resonators.">Increased frequency shifts in high aspect ratio terahertz split ring resonators.</a> Appl. Phys. Lett. 94 (6), 064102 (2009).</li><li>Gil, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Varactor-loaded+split+ring+resonators+for+tunable+notch+filters+at+microwave+frequencies.">Varactor-loaded split ring resonators for tunable notch filters at microwave frequencies.</a> Electron. Lett. 40 (21), 1347-1348 (2004).</li><li>Driscoll, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tuned+permeability+in+terahertz+split-ring+resonators+for+devices+and+sensors.">Tuned permeability in terahertz split-ring resonators for devices and sensors.</a> Appl. Phys. Lett. 91 (6), 062511 (2007).</li><li>Liu, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Displacement+Current+Mediated+Resonances+in+Terahertz+Metamaterials.">Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials.</a> Adv. Opt. Mater. 4 (8), 1302-1309 (2016).</li><li>Huang, M., Zhao, F., Cheng, Y., Xu, N., Xu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large+area+uniform+nanostructures+fabricated+by+direct+femtosecond+laser+ablation.">Large area uniform nanostructures fabricated by direct femtosecond laser ablation.</a> Opt. Express. 16 (23), 19354-19365 (2008).</li><li>Broers, A., Molzen, W., Cuomo, J., Wittels, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-beam+fabrication+of+80-&#197;+metal+structures.">Electron-beam fabrication of 80-&#197; metal structures.</a> Appl. Phys. Lett. 29 (9), 596-598 (1976).</li><li>Isaacson, M., Muray, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Insitu+vaporization+of+very+low+molecular+weight+resists+using+1/2+nm+diameter+electron+beams.">Insitu vaporization of very low molecular weight resists using 1/2 nm diameter electron beams.</a> J. Vac. Sci. Technol. 19 (4), 1117-1120 (1981).</li><li>Yang, J. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+of+hydrogen+silsesquioxane+electron+resist+for+sub-5-nm-half-pitch+lithography.">Understanding of hydrogen silsesquioxane electron resist for sub-5-nm-half-pitch lithography.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2622-2627 (2009).</li><li>Duan, H., Yang, J. K., Berggren, K. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+Collapse+of+High-Aspect-Ratio+Nanostructures.">Controlled Collapse of High-Aspect-Ratio Nanostructures.</a> Small. 7 (18), 2661-2668 (2011).</li><li>Cord, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Limiting+factors+in+sub-10nm+scanning-electron-beam+lithography.">Limiting factors in sub-10nm scanning-electron-beam lithography.</a> J. Vac. Sci. Technol. B. 27 (6), 2616-2621 (2009).</li><li>Manfrinato, V. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Resolution+limits+of+electron-beam+lithography+toward+the+atomic+scale.">Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale.</a> Nano Lett. 13 (4), 1555-1558 (2013).</li><li>Ashraf, M., Sreenath, A., Chollet, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-cost+mould+for+nano-imprinting+uses+monolayer+of+self-organized+nanospheres.">Low-cost mould for nano-imprinting uses monolayer of self-organized nanospheres.</a> SPIE Newsroom. , (2007).</li><li>Hu, T., Gao, Y., Wang, Z., Tang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-dimensional+self-assembly+of+inorganic+nanoparticles.">One-dimensional self-assembly of inorganic nanoparticles.</a> Front. Phys. China. 4, 487-496 (2009).</li><li>Kitching, H., Shiers, M. J., Kenyon, A. J., Parkin, I. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembly+of+metallic+nanoparticles+into+one+dimensional+arrays.">Self-assembly of metallic nanoparticles into one dimensional arrays.</a> J. Mater. Chem. A. 1 (24), 6985-6999 (2013).</li><li>Klinkova, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+and+optical+properties+of+self-assembled+chains+of+plasmonic+nanocubes.">Structural and optical properties of self-assembled chains of plasmonic nanocubes.</a> Nano Lett. 14 (11), 6314-6321 (2014).</li><li>Caswell, K., Wilson, J. N., Bunz, U. H., Murphy, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preferential+end-to-end+assembly+of+gold+nanorods+by+biotin-streptavidin+connectors.">Preferential end-to-end assembly of gold nanorods by biotin-streptavidin connectors.</a> J. Am. Chem. Soc. 125 (46), 13914-13915 (2003).</li><li>Liu, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Step-growth+polymerization+of+inorganic+nanoparticles.">Step-growth polymerization of inorganic nanoparticles.</a> Science. 329 (5988), 197-200 (2010).</li><li>Nie, Z., Fava, D., Kumacheva, E., Zou, S., Walker, G. C., Rubinstein, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembly+of+metal-polymer+analogues+of+amphiphilic+triblock+copolymers.">Self-assembly of metal-polymer analogues of amphiphilic triblock copolymers.</a> Nat. Mater. 6 (8), 609-614 (2007).</li><li>Chen, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic+layer+lithography+of+wafer-scale+nanogap+arrays+for+extreme+confinement+of+electromagnetic+waves.">Atomic layer lithography of wafer-scale nanogap arrays for extreme confinement of electromagnetic waves.</a> Nat. Commun. 4 (2361), (2013).</li><li>Nam, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sub-10-nm+nanochannels+by+self-sealing+and+self-limiting+atomic+layer+deposition.">Sub-10-nm nanochannels by self-sealing and self-limiting atomic layer deposition.</a> Nano Lett. 10 (9), 3324-3329 (2010).</li></ol>

החוקרים אין לי מה לחשוף.

יש טכניקת ייצור זו יתרונות משמעותיים ליצירת מבנים בקנה מידה ננו פני שיטות קיימות כגון ליתוגרפיה E-הקורה הרכבה עצמית. ראשית, מבנים בקנה מידה ננו יכול להתממש על פני שטח גדול (רקיק כולו) באמצעות photomask כי תכונות מערכים nanopillar, אשר אינה מעשית עם תהליך ליתוגרפיה E-הקורה. שנית, תהליך הייצור משתמש בתהליך ייצור מייקרו מסורתי רקיק מידה גדול, וזה הרבה יותר מהר, פשוט יותר, זול יותר לעומת ליתוגרפיה E-קורה. שלישית, בקנה המידה האטומה פערי ננו ניתן ליצור בקלות על ידי תהליך ילד עם גדלי תכונה לשלוט באופן מדויק. evaporations Cr ו Cu הקורה אלקטרוני ללא רוטציה מדגם לאפשר Cr ו Cu בתצהיר ישירות על גבי המצע עם בתצהיר דפנות ממוזער. זוהי פעולה הכרחית עבור תהליך אלקטרוליטי Au הבאות בגלל Au ניתן electroplated רק על שכבת זרע Cu המחובר מד המקור. מאז שכבת Cu<html> ים על גבי nanopillars Au מנותקים עם שכבת Cu על פני המצע, Au לא ניתן electroplated על פני המצע. איכות ועובי Au electroplated תלוי מתח אלקטרוליטי / הנוכחי והזמן אלקטרוליטי. מתח / זרם גבוה יותר מוביל בשיעור בתצהיר גבוה. עם זאת, מתח / זרם גבוה גם יכול לגרום בתצהיר איכות נמוכה Au. Electroplated Au עם איכות נמוכה יש מוליכות חשמלית נמוכות בהשוואה לחומר Au סטנדרטי כמו גם המון חללי Au, אשר מפחית את עוצמת זרם ההעתק שמופץ SRR, שמוביל להתנהגות תהודה חלשה גודל נמוך של פסגות התהודה . לכן, זרם / מתח מתאים חיוני להשגת nanopillars Au באיכות גבוהה. זמן מתח / זרם Electroplating גם צריכים להיות מבוקר בדיוק כדי לוודא כי העובי של סרט Au הדק (השכבה השנייה של Au) הוא פחות מזה של nanopillars Au (השכבה הראשונה של Au). &quot;jove_content&quot;&gt; 100 מחזורים של אלד יכול להשיג כ -10 ננומטר שכבה עבה אל 2 O 3 משני המצע Si ואת הצדדיים של nanopillars Au. השיעור בתצהיר והאיכות של 3 אל 2 O שהופקדו על ידי תלד תלויה בטמפרטורת התגובה בתוך החדר. טמפרטורת תגובה של מעל 200 מעלות צלזיוס מומלצת להשיג איכות גבוהה אל 2 O 3 סרטים. מספר המחזור והטמפרטורה ניתן לשלוט באופן מדויק כדי להשיג שכבה אל 2 O 3 עם לעובי רצוי. גודלו של הפערים-ננו (3H איור) הוא קריטי להשגה-גורמי Q גבוהים של SRRs מבוסס nanopillar. גידול של גודל ננו-פער מגדיל את אגירת האנרגיה בתוך-פערי ננו, מה שמוביל Q פקטור גבוה. עם זאת בגודל של פערי ננו לא ניתן להגדיל ללא הגבלה. כאשר בגדלים ננו-הפער יעלה על 50 ננומטר, זרם ההעתק בין nanopillars Au יורדת באופן דרמטי ואינו מסוגל לעבור דרך nano-פערים, מוביל היעלמות תגובות התהודה. בנוסף, אם הגודל של הוא ננו-פערים 3 אל 2 O פחות מ -2 ננומטר, מתח אלקטרוליטי להפקדה Au יכול התמוטטות המכשול דיאלקטרי (Al 2 O 3-פערים ננו), וכתוצאה מכך התנהגות לא הוגנת בין nanopillars Au ו פתרון אלקטרוליטי Au, אשר מוביל שכבת Au שנייה electroplated על גבי nanopillars Au (שכבת זהב ראשונה). מגבלה זו מובילה הקושי להשיג דקים אל 2 O 3 פערים בלי לשבור את מחסום דיאלקטרי בין nanopillars Au. שיטת אלמנטים סופית (פאם) שמשה כדי לדמות את SRRs (איור 3i ו 3k). שלוש פסגות תהודה בספקטרום שידור ידועים כמו (1 st) במצב הראשון, השני (2 nd) במצב, והשלישי (3 rd) במצב של SRR. ספקטרום השידור של SRRs מבוסס nanopillar עם 10 ננומטר אל <sub&gt; 2 O 3 פערים 10 מרווחי האוויר ננומטר נמדדו באמצעות THz תחום בזמן ספקטרוסקופיה (איור י 3 ו 3L). כל ספקטרום שידור המדודה תואם לנתונים המדומים, מה שמוכיח כי SRRs המפוברק מבוסס nanopillar לפגוש את העיצוב הצפוי. השילוב של סרטים דקים מתכת רציפות פערים ננו בהיקף דיאלקטרי לספק מבנים לאחסון אנרגיה יותר לעומת SRRs סרט מבוסס המסורתי, שתוצאתה הגבוהה במיוחד Q-גורמים סביב 450 (יותר מ -45 פעמים גבוהות יותר מאשר Q הפקטור של SRRs סרט דק המבוסס המסורתי) משמר בתדירות גדולה (כ -17 פעמים גדולות יותר שינוי התדר של SRRs הרזה המבוסס-סרט). טכניקת הייצור הייחודית המוצגת פקה זו מאפשרת הייצור של אלף SRRs להרכיב nanopillar על פני שטח גדול. מאז היווצרות nanopillars Au בעיקר מגדילה את שטח פנים של SRRs ומספר ההימור פערים בקנה מידה ננוAu nanopillars Ween משפר את סכום אחסון האנרגיה (מטענים חשמליים), אולטרה-גבוהה Q-גורמים יכולים להיות מושגת מובילה רגישות גבוהה. בנוסף, החומרים להחיל את SRRs מבוסס nanopillar מוצגים בתוך הפערים-ננו לתרום שינויי permittivity של-פערי ננו, וכתוצאה מכך משמר בתדירות גדולה של SRRs מבוסס nanopillar, מה שמוביל סלקטיביות גבוהה. כך SRRs מבוסס nanopillar מפוברק באמצעות Au אלקטרוליטי וטכניקות תלדנה הם אידיאליים עבור כימי חריף מאוד יחידות חישת biomolecular.

Terahertz (THz) metamaterials (MMS) פותחה עבור חיישנים ביו ותדירות-זריזה התקנים 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. על מנת לשפר את הסלקטיביות הרגישות ותדירויות חיישני MM THz, מהוד טבעת פיצול מבוסס nanopillar (SRR) תוכנן באמצעות זרם העתק שנוצר בתוך זהב (Au) מערכי nanopillar לרגש תהודות THz עם גורמי איכות גבוהה במיוחד ( Q-גורמים) (~ 450) (איור 1) 12. למרות SRRs מבוסס nanopillar להראות ש-גורמים גבוהים ויכול חישה מבטיחה, ייצור של nanostructur כזהes עם היבט ratios גבוהה (יותר מ -40) ופערים בקנה מידה ננו (ננומטר תת-10) על פני שטח גדול נשאר 13 מאתגר. הטכניקה הנפוצה ביותר לפברק מבנים ננו בקנה מידה היא ליתוגרפיה אלומת אלקטרונים (EBL) 14, 15, 16, 17. עם זאת, ההחלטה של EBL עדיין מוגבלת בשל גודל נקודת קרן, פיזור אלקטרונים, מאפיינים של להתנגד, ואת תהליך הפיתוח 18, 19. בנוסף, אין זה מעשי לפברק ננו באמצעות EBL על פני שטח גדול עקב זמן תהליך איטי תהליך גדול עולה 20. אסטרטגיה נוספת להשיג ננו הוא להשתמש בשיטת ההרכבה העצמית 21, 22. על ידי nanocubes מתכת הרכבה עצמית (NCS) בתמיסה ו utilizing האינטראקציה אלקטרוסטטי איגוד הליגנדים פולימר בין NCS, מערך NC חד ממדית מאורגן היטב עם פערים בקנה מידה ננו יכולה להיות מושגת 23. גודל ננו-הפער תלוי הליגנדים הפולימר בין NCS וניתן לשלוט על ידי יישום חומרים פולימריים שונים עם משקולות מולקולריות שונות 24, 25, 26. הרכבה עצמית הנה טכניקה להשגת 23 ננו מדרגים וחסכוניים. עם זאת, תהליך הייצור מורכב יותר לעומת תהליכי ייצור מייקרו וננו קונבנציונליים, ואת השליטה בגדלי ננו-פער אינה מדויקת מספיק עבור יישומי מכשיר אלקטרוניים. כדי לפברק בהצלחה מבוססת nanopillar SRRs, שיטת ייצור רומן צריכה להיות הומצאה כדי להשיג את המטרות הבאות: א) תהליך הייצור קל ליישום והוא תואם עם אמנהתהליכים מיקרו וננו אל המצאה; ii) תיצור על פני שטח גדול הוא ישים; iii) בגדלים ננו-הפער ניתן בקלות ובדייקנות נשלט עם רזולוציה 0.1 ננומטר, וניתן לשנותם עד 10 ננומטר או פחות. שיטת ייצור רומן מודגמת באמצעות שילוב של תהליך אלקטרוליטי וכן בתצהיר שכבה אטומי (ALD) תהליך לפברק SRRs מבוסס nanopillar. מאז אלקטרוליטי הוא תהליך מילוי עצמי עם עלות נמוכה, קל לפברק מבנים על פני שטח גדול. תלד הוא שיקוע כימי (CVD) בתהליך זה ניתן לשלוט באופן מדויק על ידי מחזור התגובה תוך כדי התהליך. הרזולוציה של סרט דק ילד יכולה להיות 0.1 ננומטר, ואת הסרט הדק מצופה באופן אחיד עם איכות גבוהה, אשר מתאים ליצור פערים ננו בהיקף 27, 28. Nanopillar מבוסס מערך SRR עם 10 פערים ננומטר או פחות יכול להיות מפוברק בהצלחה על פני שטח של 6 מ&quot;מ × 6 מ&quot;מ. שניהם simulated ומדד ספקטרום שידור THz להראות התנהגויות תהודה עם אולטרה-גבוה Q-גורם במשמרות תדירויות גדולות, אשר מוכיח את הכדאיות של SRRs מבוסס nanopillar בתיווך זרם העתק. תהליך הייצור המפורט מתואר להלן בסעיף הפרוטוקול, ואת פרוטוקול הווידאו יכול לעזור למתרגלים להבין את תהליך הייצור ולמנוע טעויות נפוצות הקשורות הייצור של SRRs מבוסס nanopillar.

<table><tbody><tr><td>Silicon Wafer</td><td>Siltronic AG</td><td>N/A</td><td>100 mm diameter, N-type, one-side polish, resitivity: 560-840 &amp;Omega;&amp;bull;cm</td></tr><tr><td>Chromium</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCR35J</td><td>99.95% pure</td></tr><tr><td>Copper</td><td>Kurt J. Lesker Company</td><td>EVMCU40QXQJ</td><td>99.99% pure</td></tr><tr><td>E-Beam Evaporator System</td><td>Rocky Mountain Vacuum Tech.</td><td>N/A</td><td>RME-2000</td></tr><tr><td>S1813 Positive Photoresist</td><td>Microposit</td><td>10018348</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Best Tools</td><td>S0114031123</td><td>SMART COATER 100</td></tr><tr><td>Mask Aligner</td><td>Midas</td><td>MDA-400LJ</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Digital Hot Plate</td><td>Thermo Scientific</td><td>HP131725</td><td>Super-Nuvoa series, maximum temperature: 370 &amp;deg;C</td></tr><tr><td>MF319 Developer</td><td>Microposit</td><td>10018042</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Acetone</td><td>Fisher Chemical</td><td>A18P-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Isopropyl Alcohol</td><td>Fisher Chemical</td><td>A416-4</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Gold 25 ES RTU</td><td>Technic Inc.</td><td>391427</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Source Meter</td><td>Keithley</td><td>N/A</td><td>2612 System SourceMeter</td></tr><tr><td>Microscope</td><td>Omax</td><td>NJF-120A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Profilometer</td><td>Tencor Instruments</td><td>N/A</td><td>Alpha-Step 200</td></tr><tr><td>APS Copper Etchant 100</td><td>Transfene Company, Inc.</td><td>N/A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>CE-5 M Chromium Mask Etchant</td><td>Transfene Company, Inc.</td><td>N/A</td><td>N/A</td></tr><tr><td>Atomic Layer Deposition System</td><td>Cambridge Nano Tech inc.</td><td>N/A</td><td>Savannah series</td></tr><tr><td>Ion Mill Etching System</td><td>Intlvac Thin Film</td><td>N/A</td><td>Nanoquest series</td></tr><tr><td>Ultrasonic Cleaner</td><td>Crest Ultrasonics</td><td>N/A</td><td>Powersonic series</td></tr><tr><td>Hydrofluoric Acid</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>244279</td><td>Diluted to 5%</td></tr><tr><td>Field Emission Gun Scanning Electron Microscope</td><td>Jeol Ltd.</td><td>N/A</td><td>JEOL 6700 series</td></tr></tbody></table>

fabrication of nanopillar-based split ring resonators for displacement current mediated resonances in terahertz metamaterials

Terahertz (THz) מהוד טבעת פיצול (SRR) metamaterials (MMS) נחקר במשך גז, כימיקלים, ויישומים חישה וביומולקולרית משום SRR אינו מושפע מאפיינים סביבתיים כגון הטמפרטורה והלחץ שמסביב מהוד. קרינה אלקטרומגנטית בתדרי THz היא ביולוגית, המהווה תנאי קריטי במיוחד עבור היישום של חישת biomolecular. עם זאת, גורם האיכות (Q פקטור) ותגובות תדירות מהוד טבעת פיצול מסורתי המבוסס סרט דק (SRR) MMS נמוכים מאוד, אשר מגביל רגישויות שלהם סלקטיביות כמו חיישנים. בעבודה זו, MMS SRR מבוסס nanopillar רומן, ניצול זרם העתק, נועד לשפר את Q הפקטור עד 450, הנמצא כ 45 פעמים גבוהות יותר מזה של MMS מבוסס סרט דק מסורתי. בנוסף Q הפקטור המשופר, MMS מבוסס nanopillar לגרום משמרות בתדירות גדולות יותר (17 פעמים לעומת המשמרת שהשיגה המסורתMMS סרט דק מבוסס אל). בגלל ש-גורמים במשמרות תדירות משופרת באופן משמעותי כמו גם את רכושם של קרינה ביולוגית, את SRR מבוססי nanopillar THz MMS הם אידיאליים לפיתוח חיישנים וביומולקולרית ברגישות סלקטיביות גבוהה ללא גרימת נזק או עיוות biomaterials. תהליך ייצור רומן הודגם לבנות את SRRs מבוסס nanopillar עבור MMS THz עקירה נוכחית בתיווך. תהליך אלקטרוליטי שני שלבים זהב (Au) וכן בתצהיר שכבה אטומית (ALD) תהליך המשמשים ליצירת פערים בקנה מידה תת-10 ננומטר בין nanopillars Au. מאחר שתהליך ALD הוא תהליך ציפוי קונפורמי, תחמוצת אלומיניום אחידה (Al 2 O 3) שכבה עם עובי בקנה מידה ננומטרי יכול להיות מושגת. על ידי ברצף אלקטרוליטי עוד סרט Au דק כדי למלא את החללים בין אל 2 O 3 ו- Au, מבנה Au-אל 2 וגדוש קרוב O 3 -Au עם בקנה מידה ננו אל 2 O 3 הפערים יכולים להיותמְפוּבּרָק. גודלו של-פערי ננו יכול להיות מוגדר היטב על ידי דווקא שליטת המחזורים בתצהיר של התהליך ילד, אשר יש דיוק של 0.1 ננומטר.

<html> תוכניות ייצור להראות כל שלב (-x איור 2 א). התמונות אופטי (איור 2Y-AC) ו מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) תמונות (איור 2ad-AG) נאספו עבור SRRs מבוססי nanopillar ב צעדים בדיה שונים. אנימציות (איור 2 א-ג) להמחיש את השכבה הראשונה של nanopillars Au electroplated והרובד השני של סרטים Au electroplated וכן ננו-הפערים שנוצרו ביניהם. איור 2 מציג את ערכת החתך של SRRs מבוסס nanopillar בשני אל 2 O 3-פערי ננו-פערי ננו אוויר. תמונות SEM נאספו עבור מערך SRR מבוסס nanopillar ופערי ננו-הסקאלה שבין nanopillars Au (איור 2af, 2ag, 3E-ח). שני ספקטרום השידור המדומה ומדד של הדגימות עם פערים ננו 3 אל 2 O ו-פערי ננו אוויר הוצג (איור 3i-יב). <html> jove_content &quot;FO: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/55289/55289fig1.jpg" /> איור 1: איור של SRRs מבוסס nanopillar בתיווך זרם העתק. (A, b) נוכחי תזוזה (אני ד) נגרם בין שתי לוחיות מתכת ושני nanopillars על ידי שדות חשמליים E. (ג) סכמטי של SRRs מבוסס nanopillar שהוגדר על ידי אלף nanopillars Au (H: גובה nanopillar, ת: מול האזור; ד: גודל פער ננו; l: רוחב nanopillar ו ε: permittivity ב-פערי ננו) . (ד) Q פקטור של SRR מבוסס סרט דק ו SRR מבוסס nanopillar. A Q פקטור של כ 450 יכול להיות מושג עם SRR מבוסס nanopillar עם גודל ננו-פער של 10 ננומטר. הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12.<html> ig1large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 2" src="/files/ftp_upload/55289/55289fig2.jpg" /> איור 2: תוכניות ייצור של SRRs מבוסס nanopillar. (א - t) אנימציה 3D ו-חתך שרטוטים של תהליך הייצור של SRRs מבוססי nanopillar. (Y - AC) תמונות אופטיות של SRRs מבוסס nanopillar ב צעדים בדיה שונים. (אד - AG) SEM תמונות של SRRs מבוסס nanopillar ב צעדים בדיה שונים וכן 5 ננומטר אל 2 O 3 פערים (AG). הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55289/55289fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.</a> FO: keep-together.within-page = &quot;1&quot;&gt; <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/55289/55289fig3.jpg" /> איור 3: אפיונים של SRRs מבוסס nanopillar. (א - ד) תוכניות ייצור של SRRs מבוסס nanopillar. (ה - ח) SEM תמונות של SRRs מבוסס nanopillar. (I) ספקטרום שידור סימולציה של אל 2 O 3 SRRs ננו-הפער מבוסס nanopillar. (י) ספקטרום שידור מדודה של אל 2 O 3 SRRs ננו-הפער מבוסס nanopillar. (יא) ספקטרום שידור סימולציה של SRRs אוויר ננו-הפער מבוסס nanopillar. (יב) נמדד ספקטרום שידור של אוויר ננו-פער SRRs מבוסס nanopillar. הנתון מותאם באישור מתקדם אופטיים חומרים 12. <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55289/55289fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. &lt;</a>/ A&gt;

Watch this Scientific Journal Video about Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials at JoVE.com

Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

פרוטוקול עבור בעיצוב הייצור של מהוד טבעת פיצול מבוסס nanopillar רומן (SRR) מוצג.

המצאה של מהודי טבעת פיצול Nanopillar מבוסס על התזוזה נוכחית מתווכת רזוננסים ב Metamaterials Terahertz

Terahertz (THz) split ring resonator (SRR) metamaterials (MMs) has been studied for gas, chemical, and biomolecular sensing applications because the SRR ...

fabrication-nanopillar-based-split-ring-resonators-for-displacement

Nanyang Technological University

Research

Education

JoVE Core

JoVE Journal

Physics

Engineering

Unit 1

Electromagnetic Induction

SCIENTISTS IN ACTION

7.7K Views.  University of Minnesota.  פרוטוקול עבור בעיצוב הייצור של מהוד טבעת פיצול מבוסס nanopillar רומן (SRR) מוצג. 

Video: Fabrication of Nanopillar-Based Split Ring Resonators for Displacement Current Mediated Resonances in Terahertz Metamaterials

Fabrication of Silica Ultra High Quality Factor Microresonators

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the quality factor (Q) of the cavity, can be in excess of 500ns for cavities with Q factors above 100 million. As a result of their low material losses, silica microcavities have demonstrated some of the longest photon lifetimes to date1-2. Since a portion of the circulating light extends outside the resonator, these devices can also be used to probe the surroundings. This interaction has enabled numerous experiments in biology, such as single molecule biodetection and antibody-antigen kinetics, as well as discoveries in other fields, such as development of ultra-low-threshold microlasers, characterization of thin films, and cavity quantum electrodynamics studies.3-7
The two primary silica resonant cavity geometries are the microsphere and the microtoroid. Both devices rely on a carbon dioxide laser reflow step to achieve their ultra-high-Q factors (Q&gt;100 million).1-2,8-9 However, there are several notable differences between the two structures. Silica microspheres are free-standing, supported by a single optical fiber, whereas silica microtoroids can be fabricated on a silicon wafer in large arrays using a combination of lithography and etching steps. These differences influence which device is optimal for a given experiment.
Here, we present detailed fabrication protocols for both types of resonant cavities. While the fabrication of microsphere resonant cavities is fairly straightforward, the fabrication of microtoroid resonant cavities requires additional specialized equipment and facilities (cleanroom). Therefore, this additional requirement may also influence which device is selected for a given experiment.
Introduction
An optical resonator efficiently confines light at specific wavelengths, known as the resonant wavelengths of the device. 1-2 The common figure of merit for these optical resonators is the quality factor or Q. This term describes the photon lifetime (&tau;o) within the resonator, which is directly related to the resonator's optical losses. Therefore, an optical resonator with a high Q factor has low optical losses, long photon lifetimes, and very low photon decay rates (1/&tau;o). As a result of the long photon lifetimes, it is possible to build-up extremely large circulating optical field intensities in these devices. This very unique property has allowed these devices to be used as laser sources and integrated biosensors.10
A unique sub-class of resonators is the whispering gallery mode optical microcavity. In these devices, the light is confined in circular orbits at the periphery. Therefore, the field is not completely confined within the device, but evanesces into the environment. Whispering gallery mode optical cavities have demonstrated some of the highest quality factors of any optical resonant cavity to date.9,11 Therefore, these devices are used throughout science and engineering, including in fundamental physics studies and in telecommunications as well as in biodetection experiments. 3-7,12
Optical microcavities can be fabricated from a wide range of materials and in a wide variety of geometries. A few examples include silica and silicon microtoroids, silicon, silicon nitride, and silica microdisks, micropillars, and silica and polymer microrings.13-17 The range in quality factor (Q) varies as dramatically as the geometry. Although both geometry and high Q are important considerations in any field, in many applications, there is far greater leverage in boosting device performance through Q enhancement. Among the numerous options detailed previously, the silica microsphere and the silica microtoroid resonator have achieved some of the highest Q factors to date.1,9 Additionally, as a result of the extremely low optical loss of silica from the visible through the near-IR, both microspheres and microtoroids are able to maintain their Q factors over a wide range of testing wavelengths.18 Finally, because silica is inherently biocompatible, it is routinely used in biodetection experiments.
In addition to high material absorption, there are several other potential loss mechanisms, including surface roughness, radiation loss, and contamination loss.2 Through an optimization of the device size, it is possible to eliminate radiation losses, which arise from poor optical field confinement within the device. Similarly, by storing a device in an appropriately clean environment, contamination of the surface can be minimized. Therefore, in addition to material loss, surface scattering is the primary loss mechanism of concern.2,8
In silica devices, surface scattering is minimized by using a laser reflow technique, which melts the silica through surface tension induced reflow. While spherical optical resonators have been studied for many years, it is only with recent advances in fabrication technologies that researchers been able to fabricate high quality silica optical toroidal microresonators (Q&gt;100 million) on a silicon substrate, thus paving the way for integration with microfluidics.1
The present series of protocols details how to fabricate both silica microsphere and microtoroid resonant cavities. While silica microsphere resonant cavities are well-established, microtoroid resonant cavities were only recently invented.1 As many of the fundamental methods used to fabricate the microsphere are also used in the more complex microtoroid fabrication procedure, by including both in a single protocol it will enable researchers to more easily trouble-shoot their experiments.

We describe the use of a carbon dioxide laser reflow technique to fabricate silica resonant cavities, including free-standing microspheres and on-chip microtoroids. The reflow method removes surface imperfections, allowing long photon lifetimes within both devices. The resulting devices have ultra high quality factors, enabling applications ranging from telecommunications to biodetection.

ייצור של אולטרה סיליקה Microresonators באיכות גבוהה פקטור

Whispering gallery resonant cavities confine light in circular orbits at their periphery.1-2 The photon storage lifetime in the cavity, quantified by the ...

Fabricating Metamaterials Using the Fiber Drawing Method

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe their electromagnetic properties to the structure of their constituents, instead of the atoms that compose them. For example, sub-wavelength metal wires can be arranged to possess an effective electric permittivity that is either positive or negative at a given frequency, in contrast to the metals themselves 2. This unprecedented control over the behaviour of light can potentially lead to a number of novel devices, such as invisibility cloaks 3, negative refractive index materials 4, and lenses that resolve objects below the diffraction limit 5. However, metamaterials operating at optical, mid-infrared and terahertz frequencies are conventionally made using nano- and micro-fabrication techniques that are expensive and produce samples that are at most a few centimetres in size 6-7. Here we present a fabrication method to produce hundreds of meters of metal wire metamaterials in fiber form, which exhibit a terahertz plasmonic response 8. We combine the stack-and-draw technique used to produce microstructured polymer optical fiber 9 with the Taylor-wire process 10, using indium wires inside polymethylmethacrylate (PMMA) tubes. PMMA is chosen because it is an easy to handle, drawable dielectric with suitable optical properties in the terahertz region; indium because it has a melting temperature of 156.6 &deg;C which is appropriate for codrawing with PMMA. We include an indium wire of 1 mm diameter and 99.99% purity in a PMMA tube with 1 mm inner diameter (ID) and 12 mm outside diameter (OD) which is sealed at one end. The tube is evacuated and drawn down to an outer diameter of 1.2 mm. The resulting fiber is then cut into smaller pieces, and stacked into a larger PMMA tube. This stack is sealed at one end and fed into a furnace while being rapidly drawn, reducing the diameter of the structure by a factor of 10, and increasing the length by a factor of 100. Such fibers possess features on the micro- and nano- scale, are inherently flexible, mass-producible, and can be woven to exhibit electromagnetic properties that are not found in nature. They represent a promising platform for a number of novel devices from terahertz to optical frequencies, such as invisible fibers, woven negative refractive index cloths, and super-resolving lenses.

Metamaterials at terahertz frequencies offer unique opportunities, but are challenging to fabricate in bulk. We adapt the fabrication procedure for microstructured polymer optical fibers to inexpensively fabricate metamaterials potentially on an industrial scale. We produce polymethylmethacrylate fibers containing ~10 &mu;m diameter indium wires separated by ~100 &mu;m, which exhibit a terahertz plasmonic response.

Metamaterials בודה בשיטת ציור הסיבים

Metamaterials are man-made composite materials, fabricated by assembling components much smaller than the wavelength at which they operate 1. They owe ...

Terahertz Microfluidic Sensing Using a Parallel-plate Waveguide Sensor

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic samples with a wide range of possible sensor designs such as interferometers and resonators 1,2. Most of the existing RI sensing applications focus on biological materials in aqueous solutions in visible and IR frequencies, such as DNA hybridization and genome sequencing. At terahertz frequencies, applications include quality control, monitoring of industrial processes and sensing and detection applications involving nonpolar materials.
Several potential designs for refractive index sensors in the terahertz regime exist, including photonic crystal waveguides 3, asymmetric split-ring resonators 4, and photonic band gap structures integrated into parallel-plate waveguides 5. Many of these designs are based on optical resonators such as rings or cavities. The resonant frequencies of these structures are dependent on the refractive index of the material in or around the resonator. By monitoring the shifts in resonant frequency the refractive index of a sample can be accurately measured and this in turn can be used to identify a material, monitor contamination or dilution, etc.
The sensor design we use here is based on a simple parallel-plate waveguide 6,7. A rectangular groove machined into one face acts as a resonant cavity (Figures 1 and 2). When terahertz radiation is coupled into the waveguide and propagates in the lowest-order transverse-electric (TE1) mode, the result is a single strong resonant feature with a tunable resonant frequency that is dependent on the geometry of the groove 6,8. This groove can be filled with nonpolar liquid microfluidic samples which cause a shift in the observed resonant frequency that depends on the amount of liquid in the groove and its refractive index 9.
Our technique has an advantage over other terahertz techniques in its simplicity, both in fabrication and implementation, since the procedure can be accomplished with standard laboratory equipment without the need for a clean room or any special fabrication or experimental techniques. It can also be easily expanded to multichannel operation by the incorporation of multiple grooves 10. In this video we will describe our complete experimental procedure, from the design of the sensor to the data analysis and determination of the sample refractive index.

The procedure for implementing a refractive index sensor for terahertz frequencies based on a grooved parallel-plate waveguide geometry is described here. The method yields a measurement of the refractive index of a small volume of liquid through monitoring of the shift in the resonant frequency of the waveguide structure

חישת Terahertz Microfluidic באמצעות חיישן מוליך גל מקביל צלחת

Refractive index (RI) sensing is a powerful noninvasive and label-free sensing technique for the identification, detection and monitoring of microfluidic ...

Simulation, Fabrication and Characterization of THz Metamaterial Absorbers

Metamaterials (MM), artificial materials engineered to have properties that may not be found in nature, have been widely explored since the first theoretical1 and experimental demonstration2 of their unique properties. MMs can provide a highly controllable electromagnetic response, and to date have been demonstrated in every technologically relevant spectral range including the optical3, near IR4, mid IR5 , THz6 , mm-wave7 , microwave8 and radio9 bands. Applications include perfect lenses10, sensors11, telecommunications12, invisibility cloaks13 and filters14,15. We have recently developed single band16, dual band17 and broadband18 THz metamaterial absorber devices capable of greater than 80% absorption at the resonance peak. The concept of a MM absorber is especially important at THz frequencies where it is difficult to find strong frequency selective THz absorbers19. In our MM absorber the THz radiation is absorbed in a thickness of ~ &lambda;/20, overcoming the thickness limitation of traditional quarter wavelength absorbers. MM absorbers naturally lend themselves to THz detection applications, such as thermal sensors, and if integrated with suitable THz sources (e.g. QCLs), could lead to compact, highly sensitive, low cost, real time THz imaging systems.

This protocol outlines the simulation, fabrication and characterization of THz metamaterial absorbers. Such absorbers, when coupled with an appropriate sensor, have applications in THz imaging and spectroscopy.

סימולציה, ייצור ואפיון של בולמי metamaterial THz

Metamaterials (MM),  artificial materials engineered to have properties that may not be found in  nature, have been widely explored since the first ...

Microwave Photonics Systems Based on Whispering-gallery-mode Resonators

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various areas of technology and applied science, such as aerospace and communication engineering, sensing, metrology, nonlinear photonics, and quantum optics. In this article, we present the principal techniques used in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators. First detailed in this article is the protocol for resonator polishing, which is based on a grind-and-polish technique close to the ones used to polish optical components such as lenses or telescope mirrors. Then, a white light interferometric profilometer measures surface roughness, which is a key parameter to characterize the quality of the polishing. In order to launch light in the resonator, a tapered silica fiber with diameter in the micrometer range is used. To reach such small diameters, we adopt the "flame-brushing" technique, using simultaneously computer-controlled motors to pull the fiber apart, and a blowtorch to heat the fiber area to be tapered. The resonator and the tapered fiber are later approached to one another to visualize the resonance signal of the whispering gallery modes using a wavelength-scanning laser. By increasing the optical power in the resonator, nonlinear phenomena are triggered until the formation of a Kerr optical frequency comb is observed with a spectrum made of equidistant spectral lines. These Kerr comb spectra have exceptional characteristics that are suitable for several applications in science and technology. We consider the application related to ultra-stable microwave frequency synthesis and demonstrate the generation of a Kerr comb with GHz intermodal frequency.

The customized techniques developed in our lab to build microwave photonics systems based on ultra-high Q whispering gallery mode resonators are presented. The protocols to obtain and characterize these resonators are detailed, and an explanation of some of their applications in microwave photonics is given.

מיקרוגל Photonics מערכות המבוססות על מהודי לחישות-גלריה של מצב

Microwave photonics systems rely fundamentally on the interaction between microwave and optical signals. These systems are extremely promising for various ...

Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on photoconduction, which has been one of the most commonly used techniques for terahertz generation 1-8. Terahertz generation in a photoconductive emitter is achieved by pumping an ultrafast photoconductor with a pulsed or heterodyned laser illumination. The induced photocurrent, which follows the envelope of the pump laser, is routed to a terahertz radiating antenna connected to the photoconductor contact electrodes to generate terahertz radiation. Although the quantum efficiency of a photoconductive emitter can theoretically reach 100%, the relatively long transport path lengths of photo-generated carriers to the contact electrodes of conventional photoconductors have severely limited their quantum efficiency. Additionally, the carrier screening effect and thermal breakdown strictly limit the maximum output power of conventional photoconductive terahertz sources. To address the quantum efficiency limitations of conventional photoconductive terahertz emitters, we have developed a new photoconductive emitter concept which incorporates a plasmonic contact electrode configuration to offer high quantum-efficiency and ultrafast operation simultaneously. By using nano-scale plasmonic contact electrodes, we significantly reduce the average photo-generated carrier transport path to photoconductor contact electrodes compared to conventional photoconductors 9. Our method also allows increasing photoconductor active area without a considerable increase in the capacitive loading to the antenna, boosting the maximum terahertz radiation power by preventing the carrier screening effect and thermal breakdown at high optical pump powers. By incorporating plasmonic contact electrodes, we demonstrate enhancing the optical-to-terahertz power conversion efficiency of a conventional photoconductive terahertz emitter by a factor of 50 10.

We describe methods for the design, fabrication, and experimental characterization of plasmonic photoconductive emitters, which offer two orders of magnitude higher terahertz power levels compared to conventional photoconductive emitters.

עיצוב, ייצור, וניסויית אפיון של פולטי Terahertz פוטו Plasmonic

In this video article we present a detailed demonstration of a highly efficient method for generating terahertz waves. Our technique is based on ...

Implementation of a Reference Interferometer for Nanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing its free spectral range (FSR), the module is put in parallel with a fiber taper-microcavity system and then calibrated through isolating and eliminating random shifts in the laser frequency (i.e. laser jitter noise). To realize the taper-microcavity junction and to maximize the optical power that is transferred to the resonator, a single-mode optical fiber waveguide is pulled. Solutions containing polystyrene nanobeads are then prepared and flown to the microcavity in order to demonstrate the system&#8217;s ability to sense binding to the surface of the microcavity. Data is post-processed via adaptive curve fitting, which allows for high-resolution measurements of the quality factor as well as the plotting of time-dependent parameters, such as resonant wavelength and split frequency shifts. By carefully inspecting steps in the time-domain response and shifting in the frequency-domain response, this instrument can quantify discrete binding events.

A reference interferometer technique, which is designed to remove undesirable laser jitter noise for nanodetection, is utilized for probing an ultra-high quality factor microcavity. Instructions for assembly, setup, and data acquisition are provided, alongside the measurement process for specifying the cavity quality factor.

יישום של אינטרפרומטר הפניה לNanodetection

A thermally and mechanically stabilized fiber interferometer suited for examining ultra-high quality factor microcavities is fashioned. After assessing ...

Utilization of Plasmonic and Photonic Crystal Nanostructures for Enhanced Micro- and Nanoparticle Manipulation

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological research. Perhaps the most widely used physical force to achieve noninvasive manipulation of small particles has been dielectrophoresis(DEP).1 However, DEP on its own lacks the versatility and precision that are desired when manipulating cells since it is traditionally done with stationary electrodes. Optical tweezers, which utilize a three dimensional electromagnetic field gradient to exert forces on small particles, achieve this desired versatility and precision.2 However, a major drawback of this approach is the high radiation intensity required to achieve the necessary force to trap a particle which can damage biological samples.3 A solution that allows trapping and sorting with lower optical intensities are optoelectronic tweezers (OET) but OET's have limitations with fine manipulation of small particles; being DEP-based technology also puts constraint on the property of the solution.4,5
This video article will describe two methods that decrease the intensity of the radiation needed for optical manipulation of living cells and also describe a method for orientation control. The first method is plasmonic tweezers which use a random gold nanoparticle (AuNP) array as a substrate for the sample as shown in Figure 1. The AuNP array converts the incident photons into localized surface plasmons (LSP) which consist of resonant dipole moments that radiate and generate a patterned radiation field with a large gradient in the cell solution. Initial work on surface plasmon enhanced trapping by Righini et al and our own modeling have shown the fields generated by the plasmonic substrate reduce the initial intensity required by enhancing the gradient field that traps the particle.6,7,8 The plasmonic approach allows for fine orientation control of ellipsoidal particles and cells with low optical intensities because of more efficient optical energy conversion into mechanical energy and a dipole-dependent radiation field. These fields are shown in figure 2 and the low trapping intensities are detailed in figures 4 and 5. The main problems with plasmonic tweezers are that the LSP's generate a considerable amount of heat and the trapping is only two dimensional. This heat generates convective flows and thermophoresis which can be powerful enough to expel submicron particles from the trap.9,10 The second approach that we will describe is utilizing periodic dielectric nanostructures to scatter incident light very efficiently into diffraction modes, as shown in figure 6.11 Ideally, one would make this structure out of a dielectric material to avoid the same heating problems experienced with the plasmonic tweezers but in our approach an aluminum-coated diffraction grating is used as a one-dimensional periodic dielectric nanostructure. Although it is not a semiconductor, it did not experience significant heating and effectively trapped small particles with low trapping intensities, as shown in figure 7. Alignment of particles with the grating substrate conceptually validates the proposition that a 2-D photonic crystal could allow precise rotation of non-spherical micron sized particles.10 The efficiencies of these optical traps are increased due to the enhanced fields produced by the nanostructures described in this paper.

Plasmonic tweezers and photonic crystal nanostructures are shown to produce useful enhancements in the efficiency and orientation control of optically trapping micro- and nano-particles.

ניצול של ננו גבישים פוטוניים Plasmonic ו מניפולציה מיקרו ו Nanoparticle משופרת

A method to manipulate the position and orientation of submicron particles nondestructively would be an incredibly useful tool for basic biological ...

Bioengineering

Fabrication and Characterization of Superconducting Resonators

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors (MKIDs) for the detection of faint astrophysical signatures, as well as for quantum computing applications and materials characterization. In this paper, procedures are presented for the fabrication and characterization of thin-film superconducting microwave resonators. The fabrication methodology allows for the realization of superconducting transmission-line resonators with features on both sides of an atomically smooth single-crystal silicon dielectric. This work describes the procedure for the installation of resonator devices into a cryogenic microwave testbed and for cool-down below the superconducting transition temperature. The set-up of the cryogenic microwave testbed allows one to do careful measurements of the complex microwave transmission of these resonator devices, enabling the extraction of the properties of the superconducting lines and dielectric substrate (e.g., internal quality factors, loss and kinetic inductance fractions), which are important for device design and performance.

Superconducting microwave resonators are of interest for detection of light, quantum computing applications and materials characterization. This work presents a detailed procedure for fabrication and characterization of superconducting microwave resonator scattering parameters.

ייצור ואפיון של מהודי מוליכים

Superconducting microwave resonators are of interest for a wide range of applications, including for their use as microwave kinetic inductance detectors ...

Fabrication of 1-D Photonic Crystal Cavity on a Nanofiber Using Femtosecond Laser-induced Ablation

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using femtosecond laser-induced ablation. We show that thousands of periodic nano-craters are fabricated on an optical nanofiber by irradiating with just a single femtosecond laser pulse. For a typical sample, periodic nano-craters with a period of 350 nm and with diameter gradually varying from 50 - 250 nm over a length of 1 mm are fabricated on a nanofiber with diameter around 450 - 550 nm. A key aspect of such a nanofabrication is that the nanofiber itself acts as a cylindrical lens and focuses the femtosecond laser beam on its shadow surface. Moreover, the single-shot fabrication makes it immune to mechanical instabilities and other fabrication imperfections. Such periodic nano-craters on nanofiber, act as a 1-D PhC and enable strong and broadband reflection while maintaining the high transmission out of the stopband. We also present a method to control the profile of the nano-crater array to fabricate apodized and defect-induced PhC cavities on the nanofiber. The strong confinement of the field, both transverse and longitudinal, in the nanofiber-based PhC cavities and the efficient integration to the fiber networks, may open new possibilities for nanophotonic applications and quantum information science.

We present a protocol for fabricating 1-D photonic crystal cavities on subwavelength diameter silica fibers (optical nanofibers) using femtosecond laser-induced ablation.

המצאה של 1-D פוטוניים Crystal חלל על nanofiber שימוש Femtosecond אבלציה לייזר המושרה

We present a protocol for fabricating 1-D Photonic Crystal (PhC) cavities on subwavelength-diameter tapered optical fibers, optical nanofibers, using ...