Bu eser DARPA (N66001-08-C-2040) bir Sözleşmede ve Texas Eyaleti Gelişen Teknoloji Fonu bir hibe ile desteklenmiştir. Yazarlar seçici atom tabakası birikimi ile ilgili katkıları, hem de ex-situ numune işleme Wallace Martin ve Gordon Pollock için Jiyoung Kim, Greg mordi Angela Azcatl ve Tom SCHARF kabul etmek istiyorum.

1. Ex-situ Numune Hazırlama <ol><li> Cips hazırlayın <ol><li> Si (100) gofret işaretçileri belirlenmesi koymak için uygun etch maskesi tasarlayın. Standart optik litografi ve Rie kullanarak, STM örnekleri alınacak olan gofret içine referans işaretleri olarak satır bir ızgara etch. çizgiler, 10 mikron genişliğinde 1 mikron derinliğinde ve 500 um sahada olmalıdır. Gravür sonra, şerit örneğinden ışığa kalan. Not: fiducial işaretleri in-situ numune yanı AFM ve SEM olarak metroloji sırasında uç konumu için tanımlanabilir olmalıdır. </li><li> Aşağı standart çakmak mavi dicing bant, yapışkan tarafı uygulayarak gofret yüzeyini koruyun. </li><li> Bir elmas kullanarak çipleri içine Zar gofret seramik dicing HDL gerçekleştirmek için kullanılan spesifik UHV-STM aracı için uygun boyutlarda gördüm uçlu. Burada, örnekler 8.1 mm x 8.1 mm kare edildi. </li></ol></li><li> Dicing sonra, yavaşça tarafından UHV-STM desenlendirme aracı içine yerleştirilmesi için çip hazırlamakAşağıdaki bölümde 2 UHV hazırlık sonrası olumsuz bir yüzey rekonstrüksiyonu neden olacaktır herhangi nikel içeren araçları ile çip dokunmamaya özen dicing bandı geri soyma. <ol><li> Politetrafloroetilen (PTFE) cımbız ile numunenin tarafını kavrama ise, sırası ile, aseton, izopropil alkol, metanol, ve iyonu giderilmiş su, bir akışı ile 10 saniye her biri için ön yüze durulayarak temiz talaş. Son olarak, ultra saf N2 veya Ar, yine teflon cımbız ile kavrama ile kurulayın. </li><li> Belirli UHV STM aracı için uygun yöntemler kullanılarak STM numune tutucu numuneyi monte edin çip HDL için kullanılır. <ol><li> Bir nikel ihtiva eden numune tutucuya monte durumunda, tantal folyo engel şeritleri (appx. Örnek yüksekliği ile 4 mm) titanyum makas kullanılarak kesti. Sırasıyla, ultra saf aseton, izopropil alkol, metanol, ve DI su içinde her biri 5 dakika sonikasyon folyo şeritler. Kısmen alüminyum folyo ve enjekte ile beher örterek ultrasaf N 2 gazı ile Kuruaçıklık içine N2 memesi ing. Tüm sıvı buharlaşana kadar gaz akış. Nikel ücretsiz cımbız kullanarak form folyo etrafında sonra numune tutucu gelen numunenin ön ve arka tarafını izole etmek için numune tutucu içinde kelepçe örnek sona erer. </li></ol></li><li> Karbon kontaminasyonu temizlemek için oksijen plazmada, plazma temiz numune ve örnek tutucu monte ettikten sonra. 28 </li></ol></li></ol> 2. UHV Numune Hazırlama <ol><li> UHV işleme ve HDL genellikle (aşağıda adım 2.5.1.1 hariç) 1.3 x 10 -9 mbar altında kalması, böylece yük kilidi veya başka bir tercih UHV güvenli yöntemle UHV sistemine örnek tanıtın. </li><li> Bir sıcaklık ölçer ile sıcaklık izleme Degas O / 650 ° C&#39;de N,. Odacık basıncı arka plan% 25 içinde olduğundan emin olun. Burada anlatılan durumda, tipik plan basınçları 4.5 x 10 -10 mbar yaklaşık bulunmaktadır. </li><li> 5 dakika boyunca 1,500 ° C &#39;de filamanı çatlama Degas tungsten hidrojendir.Mümkünse titanyum süblimasyon pompaları etkinleştirin. </li><li> Örnek &quot;Flash&quot; döngüsü gerçekleştirin. <ol><li> 20 saniye için 1250 ° C&#39;a ısıtma, pirometre ile T izlenmesi ve bir 10 ° C / sn ısıtma gradyanı kullanılarak Flaş örneği. 7 x 10 -9 mbar maksimum basıncını aşmayın. En az 5 saniye içinde ısıtıcı akım kaldırarak soğutulur. </li><li> 5 dakika boyunca 350 ° C&#39;de geri kalanı örnek. Basınç başlangıca kurtarmak için izin vermek. 3x tekrarlayın. </li></ol></li><li> Numune pasivasyon gerçekleştirin. <ol><li> Sıcaklığını izlemek için bir pirometre kullanarak 350 ° C&#39;ye ayarlayın örnek sıcaklığı. Kaçak valfi kullanılarak hazırlık odasına 1.3 x 10 -6 mbar ultra saf H 2 tanıtın. <ol><li> Daha fazla H2 arındırmak için çok sistemde bir sızıntı valfi yakınındaki H2 hattı üzerinde bir soğuk tuzak koyun. </li><li> Eğer mümkünse, yüksek hız turbo pompa yerine bir iyon pompası ile sisteme pompa. Iyon pompası olmaktan expo numuneyi kontamine değil böylece buduryüksek basınçlı ve çıkartma kirleticilere karşı sed. pompalar (350 ° C) En hidrojen çıkarıldıktan sonra normal durumda geri koymak ve örnek hala sıcak olan. </li></ol></li><li> , 12 dakika boyunca 1400 ° C arasında bir sıcaklığa filaman çatlama, tungsten, hidrojen açın sonra filament ve H2 gaz akışını kapatmak. Oda sıcaklığına soğutun örneği. </li></ol></li></ol> 3. Taramalı tünelleme mikroskopisi ve Litografi <ol><li> STM ile örnek aktarın ve tünel aralığı içine numune ve STM ucu getir. 20 mikron spot büyüklüğü daha iyi güç çözme ile bir kamerayı kullanarak, uç-numune kavşağı yüksek çözünürlüklü optik görüntü almak. Eğrilik Düzeltme ve referans işaretleri bir bozulmamış üreme temsil böylece optik görüntüyü yeniden boyutlandırmak. </li><li> Sistem termal kararsızlıkları azaltmak için herhangi bir aydınlatma çıkarın. Yüzey kalitesini belirler. <ol><li> Uyuşmuş belirlemek, -2,25 V ve 200 pA örnek önyargı ile konvansiyonel STM teknikleri kullanarakyüzeyinde kusurlar er. </li><li> Yüzey kusurları kabul edilebilir seviyelerin altına ise, bir sonraki adıma geçin. Maksimum kabul edilebilir kusur seviyeleri takip gibidir:% 1 Sarkan tahvil; % 3 Si boş; % 1 kirleticiler. </li></ol></li><li> Tasarım HDL desenleri deney kalıpları ve büyük (1 mm x 1 mm) SERP tanımlama düzenleri de dahil olmak üzere, üretilecek. serp desenler 15-20 nm bir adım kullanılarak, AFM hızlı tarama eksen beklenen dik uzun bir vektör ekseni çizilmelidir. Temel şekiller halinde Kırılma genel desen HDL koşullarını uygularken ucu tarafından takip yolu tanımlamak için kullanılır. 24 </li><li> Önceki adımdaki vektör çıkışlarını kullanarak, HDL, 7-9 V örnek yanlılığı, 1 nA akımı ile büyük alanlar için FE modu litografi kullanarak gerçekleştirmek ve atomik hassas kenarları gerektiren küçük alanlar veya bu alanlar için 0.2 mC / cm ve AP modu litografi . 24 <ol><li> Pe optimal AP modu litografi koşulları belirlemek2 ila 4 nA değişen 3.5 ile 4.5 V arasında değişen örnek önyargı ile koşullar, mevcut bir çeşitliliği ile HDL&#39;yi rforming ve hat 2 ile 4 mC / cm arasında değişen dozajlar. Dar tamamen depassivated çizgi üretirler koşulları seçin. </li></ol></li><li> -2,25 V örnek önyargı ve 0.2 nA tünel akımı görüntüleme ile istenen HDL desenli alanlarda STM metroloji gerçekleştirin. <ol><li> [Isteğe bağlı] hata düzeltme gerçekleştirin. STM metroloji sonra adım 3.5 istenen deseni ile STM görüntüleri depassivation deseni karşılaştırın. Herhangi alanlar yetersiz sarkan bağ oluşumunu gösterirse, bu alanlarda litografi döngüyü tekrarlayın. </li></ol></li><li> STM HDL tamamladıktan sonra, numuneden ucu boşa ve kilit yüklemek için örnek taşıyın. </li><li> Vent ve örnek çıkarın. Ultrasaf N2 ile havalandırma sırasında, böyle temiz safir gibi inert, düz yüzeye ile irtibata geçerek örnek korumak. 29 yüzey koruma sonra, herhangi bir pompalara yakın vanalar sonra Quic olarak gaz havalandırma tanıtmakmümkün KLY. Sistemi için örnek çıkarın. </li></ol> 4. Numune Taşıma <ol><li> Yük kilit numuneyi çıkarın. Mümkünse folyo bariyer parçaları kaldırma dahil, numune tutucu numuneyi bırakın. PTFE (veya Ti) cımbız kullanarak, en az 10 dk atmosfer maruz kalmasını sağlamak için çalışırken, korunan numunenin ön tarafını tutarak, taşıyıcı Numuneyi hareket ettirin. </li><li> Numune üzerinde kapağını takın ve gevşek bir basınçlı numune taşıyıcı monte edin. 1 dakika boyunca ultrasaf Ar ile yıkayın. Herhangi bir noktada sistem tahliye etmeyin, ya da yüzey hasar oluşabilir. 29 Nihayet, Ar küçük bir pozitif basınç (~ 50-100 mbar) ile mühür numune taşıyıcı böylece numune kadar stabil kalır Bir ay kadar. </li></ol> 5. Biriktirme Layer Atom <ol><li> ALD uygun biriktirme sıcaklığında (100 ° C) olduğundan emin olun. Atmosferik basınç elde edilinceye kadar yavaşça ALD odasındaki argon basıncı artırmak. </li><li> Açık ALD odası. </li><li> Açık Örnek taşıyıcı ve hızlı bir şekilde kenarında örnek kavrama PTFE cımbız kullanılarak ALD odasına aktarmak ve ardından degaze edilmesi için &lt;2 x 10 -1 mbar 1 saat arasında bir basınçta ALD odasına yakın ve bir argon akışı ile tasfiye örneği. Amorf titanyum 2.8 nm büyümeye ALD 80 tekrarlanan döngülerini gerçekleştirmek için bir süreç olarak ayarlayın. <ol><li> Titanyum tetraklorür (TiCI4) ve su ile, 100-150 ° C arasında bir sıcaklıkta, örnek modifiye edilmemiş bir ticari ALD sisteminin kullanılması (H2O) ön darbe süreleri ile, 0.3 mbar ile 0,8 mbar&#39;lık basınçlarda reaksiyona giren maddeler ile çökelmesini yapmak gibi 0.1 sn ve 0.05 sn. 27 </li><li> Her gaz puls sonrasında bağlı physisorbed reaktanlara minimal arka plan çökelmesini sağlamak için 0.2 mbar&#39;da 60 saniye boyunca Ar ile reaktöre temizleyin. Bu çalışmada maskeleri için, 80 ALD döngüleri, 100 ° C&#39;de, amorf titanyum oksit, yaklaşık 2.8 nm büyümesi için kullanılır. </li></ol&gt; </li><li> Yavaşça Ar gazı ve açık olan ALD odasını havalandırın. Tekrarlayın 4.1 ve numune taşıma için 4.2 yineleyin. </li></ol> 6. Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) <ol><li> Üreticinin protokolüne göre AFM doğru kalibrasyon sağlayın. Açık örnek taşıyıcı ve yavaşça cımbız kullanarak örnek çıkarın. </li><li> Transporter dan çıkardıktan sonra, güvenli bir şekilde bu tür eğer mümkünse bir sıkıştırma sistemi gibi mekanik montaj yöntemi kullanarak AFM içine örnek yükleyin. Numune üzerine AFM kamera odaklanın ve adım 3.2 optik metroloji dayalı desen AFM ucu hizalamak için örnek yüzeyinde referans işaretleri bulun. </li><li> AFM ayarları yüksekliği ve faz bilgileri hem göstermek ve um 20 ila 40 geniş olması, tarama boyutunu ayarlamak olacaktır emin olun. Numune üzerine AFM ucu Engage. </li><li> Bulucu desen bölge tanımlanır kadar en yüksek çözünürlükte yüksekliği ve faz bilgileri kullanarak, tarayın. Desenli yeniden içine büyütgion bir görüntü istendiği bölgeye bulup. </li><li> Uygun görüntü kalitesi ve çözünürlüğü (genellikle mümkün olan en yüksek) kullanarak istenen bölgelerin bir görüntü alın. İstenen tüm bölgeler tarandıktan sonra, numuneden ucu ayırın. Örnek boşaltın. Tekrarlayın 4.1 ve numune taşıma için 4.2 yineleyin. </li></ol> 7. Reaktif İyon Dağlama <ol><li> -110 ° C kapasitif birleştiğinde RIE reaktörü Chill, daha sonra intro odasına örnek yüklemek ve 7.5 x 10 -6 mbar aşağı pompa. <ol><li> 3 dakika boyunca sıcaklığını stabilize. Sonra 40 sccm&#39;lik 8 sccm&#39;lik (dakika başına standart santimetre küp), Ar de O 2 akış oranları ile ilgili gazı açın ve 20 sccm&#39;lik SF 6. </li><li> 150 W RF deşarjı kullanarak Strike plazma, daha sonra 8 sccm&#39;lik de 52 sccm&#39;lik de SF 6 ve O 2 kullanarak 1 dakika boyunca etch gaz akışını değiştirmek. Si bu gazların etkileşim yaklaşık olarak 20 nm / dakika bir hızda iz bırakacaktır. 30 </sup&gt; </li><li> 7.5 x 10 -6 mbar vakum pompa. RIE sistemini havalandırın. Tekrarlayın 4.1 ve numune taşıma için 4.2 yineleyin. </li></ol></li></ol> 8. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) <ol><li> SEM Örnek Montaj ve sisteme örnek tanıtımı. <ol><li> Yapışkan olmayan numune numune montajını kolaylaştırmak için uygun bir konumda içine monte yerleştirin. </li><li> Açık örnek taşıyıcı ve hafifçe kenarlarından örnek kapmak ve güvenli SEM montaj içine yükledikten sonra SEM içine numune takımını tanıtmak için cımbız kullanarak örnek çıkarın. </li><li> Vent ve açık SEM odası. Güvenli SEM örnek aşamasına örnek düzeneğini takın. SEM odasını aşağı Pump. </li></ol></li><li> , Referanslar bulun. <ol><li> Mümkün olan en düşük değere büyütme getirin. Iyi bir çözünürlük verecek hızlandırılması gerilim ve ışın akımı ayarlarını seçin. En kabul edilebilir ayarlarla başlayın. Gerektiği gibi kadar gidin. </li><li> Elektron demetinin açın. Genel bölgeyi getirÖnerilen çalışma mesafesi ve eucentric yüksekliğe ilgi. </li><li> Bulun ve bölüm 1.1&#39;de açıklanan fiducials odaklanın. Gerektiği gibi çalışma mesafesi ayarlayın. Odak, parlaklık ve kontrast optimize edin. </li></ol></li><li> Desenleri bulun ve görüntü. <ol><li> Fiducials Göreli, desen karbon birikimi en aza indirmek yakın olmayan temel özellikleri kullanarak odağı optimize etmek için bölüm 3.2 ve bölüm 6. AFM metroloji, optik metroloji dayalı desenleri bulun. Optimize sonra, desen taşımak ve plan görünüşü görüntüleri ve ölçümleri kazanır. </li><li> Gerekirse, 3D görüntüler ve desen yüksekliği ölçümleri için numune eğin. Gerektiğinde diğer modelleri için, 8.3 tekrarlayın. </li></ol></li><li> SEM üretici tarafından öngörülen, SEM sistem kapatma rutin ve bitiriş örnek / s gerçekleştirin. Geri taşıyıcı içine örnek sabitleyin. </li><li> Tekrarlayın 4.3 ve örnek taşıma ve depolama için 4.4 yineleyin. Bu noktada, numuneler sağlam ve canzaman belirsiz bir süre için saklanabilir. Gerekirse gerçekleştirin sonrası görüntüleme analiz eder. </li></ol>

<ol>
	<li>Yoffe, A. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Low-dimensional+systems:+quantum+size+effects+and+electronic+properties+of+semiconductor+microcrystallites+(zero-dimensional+systems)+and+some+quasi-two-dimensional+systems.">Low-dimensional systems: quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems.</a> Adv. in Phy. 42 (2), 173-262 (1993).</li><li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Semiconductor+Clusters,+Nanocrystals,+and+Quantum+Dots.">Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.</a> Science. 271 (5251), 933-937 (1996).</li><li>Craighead, H. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoelectromechanical+Systems.">Nanoelectromechanical Systems.</a> Science. 290 (5496), 1532-1535 (2000).</li><li>Dai, M. D., Kim, C. -. W., Eom, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Finite+size+effect+on+nanomechanical+mass+detection:+the+role+of+surface+elasticity.">Finite size effect on nanomechanical mass detection: the role of surface elasticity.</a> Nanotechnology. 22 (26), 265502 (2011).</li><li>Personick, M., Mirkin, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+sense+of+the+mayhem+behind+shape+control+in+the+synthesis+of+gold+nanoparticles.">Making sense of the mayhem behind shape control in the synthesis of gold nanoparticles.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (C), 18238-18247 (2013).</li><li>Rothemund, P. W. K., Ekani-Nkodo, 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=Design+and+Characterization+of+Programmable+DNA.">Design and Characterization of Programmable DNA.</a> Nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 26, 16344-16353 (2004).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Silicon-based+molecular+nanotechnology.">Silicon-based molecular nanotechnology.</a> Nanotechnology. 11 (2), 70-76 (2000).</li><li>Eigler, D. M., Schweizer, E. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Positioning+single+atoms+with+a+scanning+tunnelling+microscope.">Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope.</a> Nature. 344, 524-526 (1990).</li><li>Heinrich, A. J., Lutz, C. P., Gupta, J. A., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+cascades.">Molecular cascades.</a> Science. 298, 1381-1387 (2002).</li><li>Crommie, M. F., Lutz, C. P., Eigler, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Confinement+of+Electrons+to+Quantum+Corrals+on+a+Metal+Surface.">Confinement of Electrons to Quantum Corrals on a Metal Surface.</a> Science. 262 (5131), 218-220 (1993).</li><li>Shen, T. -. C., Wang, 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=Atomic-Scale+Desorption+Through+Electronic+and+Vibrational+Excitation+Mechanisms.">Atomic-Scale Desorption Through Electronic and Vibrational Excitation Mechanisms.</a> Science. 268, 1590-1592 (1995).</li><li>Randall, J. N., Lyding, J. W., 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+precision+lithography+on+Si.">Atomic precision lithography on Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 27 (6), 2764-2768 (2009).</li><li>Tong, X., Wolkow, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron-induced+H+atom+desorption+patterns+created+with+a+scanning+tunneling+microscope:+Implications+for+controlled+atomic-scale+patterning+on+H-Si(100).">Electron-induced H atom desorption patterns created with a scanning tunneling microscope: Implications for controlled atomic-scale patterning on H-Si(100).</a> Surf. Sci. 600 (16), L199-L203 (2006).</li><li>Hitosugi, T., Hashizume, 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=Scanning+Tunneling+Spectroscopy+of+Dangling-Bond+Wires+Fabricated+on+the+Si(100)-2x1-H+Surface.">Scanning Tunneling Spectroscopy of Dangling-Bond Wires Fabricated on the Si(100)-2x1-H Surface.</a> Jap. J. App. Phys, Pt 2 2. 36 (3B), L361-L364 (1997).</li><li>Bird, C. F., Fisher, A. J., Bowler, D. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Soliton+effects+in+dangling-bond+wires+on+Si(001).">Soliton effects in dangling-bond wires on Si(001).</a> Phys. Rev B. 68, 115318 (2003).</li><li>Wolkow, R. A., Livadaru, L., 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=.">.</a> Beyond-CMOS Electronics. , 1-28 (2013).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Hubacek, J. S., Tucker, J. R., Abeln, G. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+oxidation+of+H-passivated+Si(100)-2&#215;1+surfaces+with+an+ultrahigh+vacuum+scanning+tunneling+microscope.">Nanoscale patterning and oxidation of H-passivated Si(100)-2&#215;1 surfaces with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope.</a> App. Phys. Lett. 64 (15), 2010-2012 (1994).</li><li>Lyding, J. W., Shen, T. -. C., Abeln, G. C., Wang, C., Tucker, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nanoscale+patterning+and+selective+chemistry+of+silicon+surfaces+by+ultrahigh-vacuum+scanning+tunneling+microscopy.">Nanoscale patterning and selective chemistry of silicon surfaces by ultrahigh-vacuum scanning tunneling microscopy.</a> Nanotechnology. 7, 128-133 (1996).</li><li>Owen, J. H. G., Ballard, J., Randall, J. N., Alexander, J., Von Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patterned+Atomic+Layer+Epitaxy+of+Si+/+Si(001):H.">Patterned Atomic Layer Epitaxy of Si / Si(001):H.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F201 (2011).</li><li>Goh, K. E. J., Chen, S., Xu, H., Ballard, J., Randall, J. N., Ehr, J. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Von+Using+patterned+H-resist+for+controlled+three-dimensional+growth+of+nanostructures.">Von Using patterned H-resist for controlled three-dimensional growth of nanostructures.</a> App. Phys. Lett. 98 (16), 163102 (2011).</li><li>Ye, W., Pe&#241;a Martin, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+writing+of+sub-5+nm+hafnium+diboride+metallic+nanostructures.">Direct writing of sub-5 nm hafnium diboride metallic nanostructures.</a> ACS Nano. 4 (11), 6818-6824 (2010).</li><li>Brien, J. L., Schofield, S. 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=Scanning+tunnelling+microscope+fabrication+of+arrays+of+phosphorus+atom+qubits+for+a+silicon+quantum+computer.">Scanning tunnelling microscope fabrication of arrays of phosphorus atom qubits for a silicon quantum computer.</a> Smart. 11 (5), 741-748 (2002).</li><li>Van Oven, J. C., Berwald, F., Berggren, K. K., Kruit, P., Hagen, C. W. <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-induced+deposition+of+3-nm-half-pitch+patterns+on+bulk+Si.">Electron-beam-induced deposition of 3-nm-half-pitch patterns on bulk Si.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (6), 06F305 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Sisson, T. W., 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=Multimode+hydrogen+depassivation+lithography:+A+method+for+optimizing+atomically+precise+write+times.">Multimode hydrogen depassivation lithography: A method for optimizing atomically precise write times.</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 31 (6), 06FC01 (2013).</li><li>Randall, J. N., Ballard, J. 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=Atomic+precision+patterning+on+Si:+An+opportunity+for+a+digitized+process.">Atomic precision patterning on Si: An opportunity for a digitized process.</a> Microelec. Eng. 87 (5-8), 955-958 (2010).</li><li>Perrine, K. A., Teplyakov, A. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactivity+of+selectively+terminated+single+crystal+silicon+surfaces.">Reactivity of selectively terminated single crystal silicon surfaces.</a> Chem. Soc. Rev. 39 (8), 3256-3274 (2010).</li><li>McDonnell, S., Longo, R. 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=Controlling+the+Atomic+Layer+Deposition+of+Titanium+Dioxide+on+Silicon:+Dependence+on+Surface+Termination.">Controlling the Atomic Layer Deposition of Titanium Dioxide on Silicon: Dependence on Surface Termination.</a> The J. Phys. Chem. C. 117 (39), 20250-20259 (2013).</li><li>Kane, D. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+cleaning+of+metal+surfaces.">Plasma cleaning of metal surfaces.</a> J. Vac. Sci. Tech. 11 (3), 567 (1974).</li><li>Hersam, M. C., Guisinger, N. P., Lyding, J. W., Thompson, D. S., Moore, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-level+study+of+the+robustness+of+the+Si(100)-2&#215;1:H+surface+following+exposure+to+ambient+conditions.">Atomic-level study of the robustness of the Si(100)-2&#215;1:H surface following exposure to ambient conditions.</a> App. Phys. Lett. 78 (7), 886-888 (2001).</li><li>Agostino, R., Flamm, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasma+etching+of+Si+and+SiO2+in+SF6&#8211;O2+mixtures.">Plasma etching of Si and SiO2 in SF6&#8211;O2 mixtures.</a> J. App. Phys. 52 (1), 162 (1981).</li><li>Longo, R. C., McDonnell, 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=Selectivity+of+metal+oxide+atomic+layer+deposition+on+hydrogen+terminated+and+oxidized+Si(001)-(2&#215;1)+surface.">Selectivity of metal oxide atomic layer deposition on hydrogen terminated and oxidized Si(001)-(2&#215;1) surface.</a> J. Vac. Sci Tech. B. 32 (3), 03D112 (2014).</li><li>Ruess, F. J., Oberbeck, L., 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=The+use+of+etched+registration+markers+to+make+four-terminal+electrical+contacts+to+STM-patterned+nanostructures.">The use of etched registration markers to make four-terminal electrical contacts to STM-patterned nanostructures.</a> Nanotechnology. 16 (10), 2446-2449 (2005).</li><li>Ruess, F. J., Pok, W., 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=Realization+of+Atomically+Controlled+Dopant+Devices+in+Silicon.">Realization of Atomically Controlled Dopant Devices in Silicon.</a> Small. 3 (4), 563-567 (2007).</li><li>Li, K., Namboodiri, P., 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=Controlled+formation+of+atomic+step+morphology+on+micropatterned+Si+(100).">Controlled formation of atomic step morphology on micropatterned Si (100).</a> J. Vac. Sci. Tech. B. 29 (4), 041806 (2011).</li><li>Ballard, J. B., Owen, J. H. G., 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=Pattern+transfer+of+hydrogen+depassivation+lithography+patterns+into+silicon+with+atomically+traceable+placement+and+size+control.">Pattern transfer of hydrogen depassivation lithography patterns into silicon with atomically traceable placement and size control.</a> Journal of Vacuum Science and Technology B. 32 (4), 041804 (2014).</li><li>Gusev, E. P., Cabral, C., Copel, M., D&#8217;Emic, C., Gribelyuk, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=U+ltrathin+HfO+2+films+grown+on+silicon+by+atomic+layer+deposition+for+advanced+gate+dielectrics+applications.">U ltrathin HfO 2 films grown on silicon by atomic layer deposition for advanced gate dielectrics applications.</a> Microelectronic Engineering. 69, 145-151 (2003).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

Yukarıda tarif edilen nanoyapılarda üzerinde metroloji gerçekleştirme gibi AFM ve SEM gibi diğer araçları kullanarak HDL ve desen konumu sırasında uç konumlandırma köprü yeteneği gerektirir. Şekil 3&#39;te gösterildiği gibi, e-ışını litografi gibi yüksek çözünürlüklü pozisyonu kodlama ile diğer gelişmiş desen araçlarının tersine olarak, burada gerçekleştirilen HDL, bu yüzden ekstra pozisyon tanımlaması protokoller kullanılmıştır, iyi kontrol edilen kaba konuml...

Nanoteknoloji yapılarını anlamak arenalarda, geniş bir yelpazede daha önemli hale geldikçe, özellikle litografi ve elektronik alanlarında, önem kazanmaktadır oluşturulmuştur. Özellikle 10 nm altındaki ölçeklerde, nano metroloji önemini vurgulamak için, sadece 1 nm özelliği büyüklüğünde bir varyasyonu fraksiyonel varyasyon en az% 10 olduğunu gösterir işaret edilmelidir. Bu varyasyon cihaz performansı ve malzeme karakter için önemli etkileri olabilir 1,2 -. 4 sentetik yöntemler kullanarak, örneğin kuantum noktaları veya diğer kompleks moleküller olarak çok hassas oluşan bireysel özellikler 2,5,6, fabrikasyon ama genellikle aynı hassasiyeti eksik olabilir boyut ve yerleştirme kontrolü geliştirmeye yönelik çalışmalarına rağmen özellik yerleştirme ve oryantasyon içinde. Bu kağıt yakın atomik boyut hassasiyeti ve özellik yerleştirme atomik hassas nano imalatı, yanı sıra bir yaklaşım gösteriyorözellik yerleştirme atom metroloji ile. Tarama tünel Mikroskobu (STM) neden olduğu hidrojen Depassivation Taşbaskı (HDL) atomik hassas kullanarak, kimyasal olarak duyarlı kontrast atomik hassas desenler bir yüzey üzerinde oluşturulur. Şekil 1 &#39;de şematik olarak gösterildiği gibi selektif Biriktirme Layer Atom (ALD) daha sonra, tepkisel iyonla hakketme (RIE) nihai yığın malzemeye desenleri aktarılması ile, desenli alanlarda sert oksit malzeme uygulanır. Standardı ile son derece hassas HDL işlemi birleştiren ALD ve RIE esnek bir yöntem ile sonuçlanır rasgele şekil ve konumlandırma bir yüzey üzerine nano üretmek için işler. <img alt="Şekil 1" src="/files/ftp_upload/52900/52900fig1.jpg" /> 1. İlköğretim nanofabrikasyon Süreç Adımları Şekil. Bir örnek olarak, 200 nm x 200 mil kare gösterilmektedir. Her bir daire içine ok atmosfer koşullarında ve t aşamasını göstermektedirsiteler arasında ransport. UHV örnek hazırlık sonra, numune STM metroloji (sol üst) izledi UHV HDL kullanılarak desenli. ALD sonra AFM metroloji (sağda), ardından gerçekleştirilir. RIE SEM metroloji ardından Si (100), içine desenleri aktarır (sol altta). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/52900/52900fig1large.jpg" target="_blank">Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.</a> Bugüne kadar en hassas litografi, genellikle taranmış prob teknikleri, atomik çözünürlükte desen ve işlevsel bir çok uygulama için gösterilmiştir, özellikle STM tabanlı model oluşturmanın içerir. büyük bir hassasiyetle 7, daha önce, atom manipülasyon üretti nano yapı taşları, 8 bireysel atomuna kullanılarak , 9,10 ancak böylece kriyojenik koşullar gereklidir ve nanoyapılar uzun vadeli sağlamlığını yoksundu. Yüzeyinden hidrojen atomunun ayrılmasıyla RT atomu manipülasyon specifical gösterilmiştirly HDL. 11,12,13 HDL yüzey kontrast mekansal lokalizasyonu dayalı elektronik ve diğer cihazlar, yeni sınıflar sağlamak için vaat ediyor. Daha fazla işleme tabi tutulmadan HDL&#39;yi kullanarak, çeşitli cihaz mimarileri bağ telleri veya mantık cihazları sarkan dahil mümkündür. 14,15,16 Ayrıca elektrik kontrast sağlayarak, aslında, pasifleştirme H katmanı kaldırıldı yüzeyde kimyasal kontrast tanıtabilirsiniz HDL başkaca kimyasal modifikasyon için bir şablon oluşturma. Bu kimyasal modifikasyon metaller, 17 izolatörler, 18 ve hatta yarı iletkenler çökelmesi için seçicilik gösteren, silikon ve diğer yüzeyler üzerinde gösterilmiştir. 16,19 Bu örneklerin her birinin doğru üretmek için kullanılan gereken iki boyutlu bir yapı, bu nedenle diğer işlem adımlarını üreten üç HDL tarafından vaat atomik çözüldü kontrolü ile boyutlu yapılar. Daha önce, bu gerekli olan tekrarlanan desenlendirme, 19,20,21 tavlama, 22 </suBu tür uç tabanlı e-ışın kaynaklı birikimi olarak daha az p&gt; ya çözülmüş süreçler. 23 E-ışın litografi benzer HDL bir karşı ortaya çıkarmak için bir elektron lokalize akı kullanır. Birkaç benzerlikler değişken nokta büyüklüğü ve desenlendirme verimliliği ile multi-mode litografi gerçekleştirmek için kapasite gibi mevcut. 24 Ancak, HDL&#39;nin gerçek gücü e-ışın litografi farklıdır nasıl doğar. Birincisi, HDL direnen o poz dijital süreç haline karşı bu kadar atomik hidrojenin bir tek tabaka ise; atom ya da mevcut değilse ya da karşı. 25 H atomu yerleştirme (100) HDL süreci atomik hassas bir süreç olabilir kafes yatan Si karşılık bu yana, bu yazıda HDL nanometre hassasiyet olarak sahip olduğunu belirtmek gerekir, ancak Bu şekilde atomik mükemmellik sahiptir ve karşı bu durumda bir dijital değildir. HDL elektron kaynağı yüzeyine yerel olduğundan, STM çeşitli çalışma modları hem kolaylaştıranverim optimizasyonu yanı sıra hata kontrolü. ~ 4.5 V altında ucu-örnek önyargıları anda, litografi atomik hassas modu (AP modunda) olarak bilinen atom hassas, tek atom düzeyinde yapılabilir. Buna karşılık, ~ 7 V üzerinde önyargıları de, elektronlar Field Emission modu (FE modu) olarak bilinen geniş Burada Çizgi genişlikleri ve yüksek depassivation verimlilikleri ile örnek ucu doğrudan yayılır. Genel çıktılar mümkün 1 mikron 2 / dakikaya kadar desenlendirme ile litografi-ışın e küçük akrabası kalsa da HDL çıktılar, sonra bu iki mod dikkatli kombinasyonu ile optimize edilebilir. Önyargı ve böylece ters edildiğinde numune böylece hata düzeltme ve atomik ölçek metroloji hem yüzey atom yapısı denetlenmesine izin, son derece düşük depassivation verimliliği ile ucu örnek -2,25 V, elektronlar tünelin ~ tutulur . Şekil 1 &#39;de gösterilen bu nano üretim süreci </stronyukarıda tarif edildiği gibi gr&gt; bir UHV HDL adımla başlar. HDL takip ederek, numune (örneğin, yaklaşık 1 tek katmanlı) SiO2 katmanı. Taşıma sonra 26, örnek çökelmesi için bir ALD odasına yerleştirilen bir ince oluşturan, model verilmiş alanlar, su ile, doymuş hale bu süre içinde, atmosfere boşaltılır AFM ve XPS. 27 titanyum Reaksiyon yüzeyinin bir su doygunluğu bağlıdır yana ile ölçüldüğünde 2-3 mil burada biriken kalınlıklarda titanya (TiO2), bu işlem, yüzeyi su ile satüre bir atmosfer tabi olmasına rağmen mümkündür . Daha sonra, AFM ve SEM ile belirlendi aşındırma derinliği ile, örnek Si 20 mil kaldırılır, böylece rie kullanılarak kazınmış olan toplu olarak ALD maske deseni aktarmak için kullanılır. Metroloji adımlarını kolaylaştırmak amacıyla, bir Si (100) gofret, uzun çalışma mesafesi optik mikroskop, AFM plan görünümü optik görüntüleme ile UHV hazırlıktan sonra görünür olacak şekilde tasarlanmıştır çizgilerin bir ızgara ile desenli, veDüşük büyütme planı manzaralı SEM görüntüleme. Nanoölçekli yapılarını belirlemek yardımcı olmak için, 1 mikron 2 serpantin desen (SERPs) SERPs göre sabit konumlarda bulunan en izole nanopatterns ile numunelerin üzerine desenli. HDL, seçmeli ALD ve RIE bu kombinasyonu nano imalatı için önemli bir işlem olabilir ve bu sürecinin doğal bir yan ürünü olarak bir atom ölçekli metroloji içerir. Aşağıda, Si HDL, seçici ALD ve Rie kullanarak (100) alt 10 nm nano imal etmek katılan adımların ayrıntılı bir açıklamasını içerir. Bu bir bu işlemlerin her uzman olduğu kabul edilmektedir, ancak bu bilgiler, çeşitli işlemleri nasıl entegre ilgili dahil edilecektir. Özellikle vurgu, aynı zorlukları önlemek amacıyla yazarlar tarafından yaşanan bu beklenmedik zorluklar verilen özellikle ulaşım ve metroloji ile ilgili olacaktır.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Si Wafer</td>
			<td>VA Semiconductor</td>
			<td></td>
			<td>P type (Boron) Si&#60;100&#62; +/- 2 degrees, 280 mm +/- 25 mm thick, 0.01-0.02 ohm-cm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ta foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>335</td>
			<td>0.025mm (0.001in) thick, 99.997% (metals basis)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19393</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.9%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Propanol</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19397</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetone</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>19392</td>
			<td>Semiconductor Grade, 99.5%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon</td>
			<td>Praxair</td>
			<td></td>
			<td>Ultra high purity (grade 5.0)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deionized water</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>Milli-Q Water Purification System</td>
			<td>&#62;18 MW resistance water produced on demand.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TiCl4</td>
			<td>Sigma Aldrigh</td>
			<td>254312</td>
			<td>&#8805;99.995% trace metals basis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>O2</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2182101</td>
			<td>Research Grade</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SF6</td>
			<td>Matheson</td>
			<td>G2658922</td>
			<td>Ultra high purity (grade 4.7)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blue Medium Tack Roll</td>
			<td>Semiconductor Equipment Corporation</td>
			<td>18074</td>
			<td>Thickness 75 um / .003&#8221;&#160; Length 200 M / 660&#8217;&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

atomically traceable nanostructure fabrication

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process being used in order to maintain exquisite control over both feature size and feature density. Here, we demonstrate a method for tracking atomically resolved and controlled structures from initial template definition through final nanostructure metrology, opening up a pathway for top-down atomic control over nanofabrication. Hydrogen depassivation lithography is the first step of the nanoscale fabrication process followed by selective atomic layer deposition of up to 2.8 nm of titania to make a nanoscale etch mask. Contrast with the background is shown, indicating different mechanisms for growth on the desired patterns and on the H passivated background. The patterns are then transferred into the bulk using reactive ion etching to form 20 nm tall nanostructures with linewidths down to ~6 nm. To illustrate the limitations of this process, arrays of holes and lines are fabricated. The various nanofabrication process steps are performed at disparate locations, so process integration is discussed. Related issues are discussed including using fiducial marks for finding nanostructures on a macroscopic sample and protecting the chemically reactive patterned Si(100)-H surface against degradation due to atmospheric exposure.

Burada tarif edilen durumda, HDL çok modlu litografi kullanılarak gerçekleştirilir. 24 FE modunda, 8 V Örnek önyargı, 1 nA ve (50 nm / sn uç hızı eşdeğer) 0.2 mC / cm ile gerçekleştirildi, ucu üzerinde hareket eden depassivation çizgilerini üretmek Si kafes paralel ya da dik ya da yüzey. Bu olarak doğrusal Burada durumda, çok uç bağımlı iken, hatların tamamen depassivated kısmı çizgisinin her iki tarafında başka bir 2 nm olarak uzanan kısmi bir depassivation kuyrukları ile geni...

Watch this Scientific Journal Video about Atomically Traceable Nanostructure Fabrication at JoVE.com

Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated.

Atomik İzlenebilir Nanoyapı İmalatı

Reducing the scale of etched nanostructures below the 10 nm range eventually will require an atomic scale understanding of the entire fabrication process ...

atomically-traceable-nanostructure-fabrication

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

8.6K Görüntüleme.  Zyvex Labs. We report a protocol for combining the atomic metrology of the Scanning Tunneling Microscope for surface patterning with selective Atomic Layer Deposition and Reactive Ion Etching. Using a robust process involving numerous atmospheric exposures and transport, 3D nanostructures with atomic metrology are fabricated. 

Video: Atomically Traceable Nanostructure Fabrication

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.

Silika Ultra Yüksek Kalite Faktörü Microresonators Fabrikasyon

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

Mühendislik

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.

THz metamalzeme Emiciler Simülasyon, Üretimi ve Karakterizasyonu

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

Fabrication of Spatially Confined Complex Oxides

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from the inherent strong electron correlations that reside within them. These materials can also possess electronic phase separation in which regions of vastly different resistive and magnetic behavior can coexist within a single crystal alloy material. By reducing the scale of these materials to length scales at and below the inherent size of the electronic domains, novel behaviors can be exposed. Because of this and the fact that spin-charge-lattice-orbital order parameters each involve correlation lengths, spatially reducing these materials for transport measurements is a critical step in understanding the fundamental physics that drives complex behaviors. These materials also offer great potential to become the next generation of electronic devices 1-3. Thus, the fabrication of low dimensional nano- or micro-structures is extremely important to achieve new functionality. This involves multiple controllable processes from high quality thin film growth to accurate electronic property characterization. Here, we present fabrication protocols of high quality microstructures for complex oxide manganite devices. Detailed descriptions and required equipment of thin film growth, photo-lithography, and wire-bonding are presented.

We describe the use of pulsed laser deposition (PLD), photolithography and wire-bonding techniques to create micrometer scale complex oxides devices. The PLD is utilized to grow epitaxial thin films. Photolithography and wire-bonding techniques are introduced to create practical devices for measurement purposes.

Mekansal Kapalı Karmaşık Oksitler Fabrikasyon

Complex materials such as high Tc superconductors, multiferroics, and colossal magnetoresistors have electronic and magnetic properties that arise from ...

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for synthesizing nanoscopic VB2 is presented as well as step-by-step procedure for applying a zirconium oxide coating to the VB2 particles for stabilization upon discharge. The process for disassembling existing zinc/air cells is shown, in addition construction of the new working electrode to replace the conventional zinc/air cell anode with a the nanoscopic VB2 anode. Finally, discharge of the completed VB2/air battery is reported. We show that using the zinc/air cell as a test bed is useful to provide a consistent configuration to study the performance of the high-energy high capacity nanoscopic VB2 anode.

Fabrication of VB2/Air Cells for Electrochemical Testing

A protocol is presented to study multi-electron metal/air battery systems by using previous technology developed for the zinc/air cell. Electrochemical testing is then performed on fabricated batteries to evaluate performance.

VB Fabrikasyon<sub&gt; 2</subElektrokimyasal Test için&gt; / Hava Hücreleri

A technique to investigate the properties and performance of new multi-electron metal/air battery systems is proposed and presented. A method for ...

Fabrication and Testing of Microfluidic Optomechanical Oscillators

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including microresonators. However, because of the increased acoustic radiative losses during direct liquid immersion of optomechanical devices, almost all published optomechanical experiments have been performed in solid phase. This paper discusses a recently introduced hollow microfluidic optomechanical resonator. Detailed methodology is provided to fabricate these ultra-high-Q microfluidic resonators, perform optomechanical testing, and measure radiation pressure-driven breathing mode and SBS-driven whispering gallery mode parametric vibrations. By confining liquids inside the capillary resonator, high mechanical- and optical- quality factors are simultaneously maintained.

Parametric optomechanical excitations have recently been experimentally demonstrated in microfluidic optomechanical resonators by means of optical radiation pressure and stimulated Brillouin scattering. This paper describes the fabrication of these microfluidic resonators along with methodologies for generating and verifying optomechanical oscillations.

Fabrikasyon ve mikroakışkan optomechanical Osilatörler Testi

Cavity optomechanics experiments that parametrically couple the phonon modes and photon modes have been investigated in various optical systems including ...

Patterning via Optical Saturable Transitions - Fabrication and Characterization

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Optik Doyurulabilen Geçişler aracılığıyla Desenlendirme - İmalat ve Karakterizasyonu

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical ...

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.

Süperiletken Rezonatörler Fabrikasyon ve Karakterizasyonu

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

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems (C-MEMS)

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long and hollow glassy carbon microfibers derived from human hairs is introduced. The long and hollow carbon structures were made by the pyrolysis of human hair at 900 &#176;C in a N2 atmosphere. The morphology and chemical composition of natural and pyrolyzed human hairs were investigated using scanning electron microscopy (SEM) and electron-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), respectively, to estimate the physical and chemical changes due to pyrolysis. Raman spectroscopy was used to confirm the glassy nature of the carbon microstructures. Pyrolyzed hair carbon was introduced to modify screen-printed carbon electrodes ; the modified electrodes were then applied to the electrochemical sensing of dopamine and ascorbic acid. Sensing performance of the modified sensors was improved as compared to the unmodified sensors. To obtain the desired carbon structure design, carbon micro-/nanoelectromechanical system (C-MEMS/C-NEMS) technology was developed. The most common C-MEMS/C-NEMS fabrication process consists of two steps: (i) the patterning of a carbon-rich base material, such as a photosensitive polymer, using photolithography; and (ii) carbonization through the pyrolysis of the patterned polymer in an oxygen-free environment. The C-MEMS/NEMS process has been widely used to develop microelectronic devices for various applications, including in micro-batteries, supercapacitors, glucose sensors, gas sensors, fuel cells, and triboelectric nanogenerators. Here, recent developments of a high-aspect ratio solid and hollow carbon microstructures with SU8 photoresists are discussed. The structural shrinkage during pyrolysis was investigated using confocal microscopy and SEM. Raman spectroscopy was used to confirm the crystallinity of the structure, and the atomic percentage of the elements present in the material before and after pyrolysis was measured using EDX.

Fabrication of 3D Carbon Microelectromechanical Systems C-MEMS

Long and hollow glassy carbon microfibers were fabricated based on the pyrolysis of a natural product, human hair. The two fabrication steps of carbon microelectromechanical and carbon nanoelectromechanical systems, or C-MEMS and C-NEMS, are: (i) photolithography of a carbon-rich polymer precursor and (ii) pyrolysis of the patterned polymer precursor.

3D Karbon Mikroelektromekanik Sistemlerin (C-MEMS) İmalatı

A wide range of carbon sources are available in nature, with a variety of micro-/nanostructure configurations. Here, a novel technique to fabricate long ...

Fabrication of Periodic Gold Nanocup Arrays Using Colloidal Lithography

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing in combination with new nanofabrication techniques. A plasmon is a quantum of charge density oscillation that lends nanoscale metals such as gold and silver unique optical properties. In particular, gold and silver nanoparticles exhibit localized surface plasmon resonances-collective charge density oscillations on the surface of the nanoparticle-in the visible spectrum. Here, we focus on the fabrication of periodic arrays of anisotropic plasmonic nanostructures. These half-shell (or nanocup) structures can exhibit additional unique light-bending and polarization-dependent optical properties that simple isotropic nanostructures cannot. Researchers are interested in the fabrication of periodic arrays of nanocups for a wide variety of applications such as low-cost optical devices, surface-enhanced Raman scattering, and tamper indication. We present a scalable technique based on colloidal lithography in which it is possible to easily fabricate large periodic arrays of nanocups using spin-coating and self-assembled commercially available polymeric nanospheres. Electron microscopy and optical spectroscopy from the visible to near-infrared (near-IR) was performed to confirm successful nanocup fabrication. We conclude with a demonstration of the transfer of nanocups to a flexible, conformal adhesive film.

We demonstrate the fabrication of periodic gold nanocup arrays using colloidal lithographic techniques and discuss the importance of nanoplasmonic films.

Kolloidal litografi kullanarak periyodik altın Nanocup dizilerin imalatı

Within recent years, the field of plasmonics has exploded as researchers have demonstrated exciting applications related to chemical and optical sensing ...

Fabrication of Superhydrophobic Metal Surfaces for Anti-Icing Applications

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in industry. The wettability of the produced surface was analyzed by bouncing drop experiments and the topography was analyzed by confocal microscopy. In addition, we show various methodologies to measure its durability and anti-icing properties. Superhydrophobic surfaces hold a special texture that must be preserved to keep their water-repellency. To fabricate durable surfaces, we followed two strategies to incorporate a resistant texture. The first strategy is a direct incorporation of roughness to the metal substrate by acid etching. After this surface texturization, the surface energy was decreased by silanization or fluoropolymer deposition. The second strategy is the growth of a ceria layer (after surface texturization) that should enhance the surface hardness and corrosion resistance. The surface energy was decreased with a stearic acid film.
The durability of the superhydrophobic surfaces was examined by a particle impact test, mechanical wear by lateral abrasion, and UV-ozone resistance. The anti-icing properties were explored by studying the ability to repeal subcooled water, freezing delay, and ice adhesion.

We illustrate several methodologies to produce superhydrophobic metal surfaces and to explore their durability and anti-icing properties.

Superhydrophobic Metal yüzeyler imalatı anti-buzlanma uygulamalar için

Several ways to produce superhydrophobic metal surfaces are presented in this work. Aluminum was chosen as the metal substrate due to its wide use in ...