Dieses Material beruht auf von einem Start-up-Fonds an der University of Minnesota, Twin Cities unterstützt Arbeit. Teile dieser Arbeit wurden in der Charakterisierung der Einrichtung, University of Minnesota, einem Mitglied der NSF-geförderte Materialforschung Einrichtungen Network (www.mrfn.org) über das MRSEC Programm durchgeführt. Ein Teil dieser Arbeit wurde auch in der Minnesota Nano-Center durchgeführt, die von der NSF durch das NNCI Programm teilweise Unterstützung erhält.

Achtung: Einige der Chemikalien in diesen Synthesen verwendet werden, sind giftig, leicht entzündlich und kann zu Reizungen und schwere Organschäden verursachen, wenn sie berührt oder eingeatmet werden. Bitte tragen Sie geeignete persönliche Schutzausrüstung (PSA) bei der Handhabung. 1. Herstellung der ersten Schicht aus Gold (Au) Nanopillar Arrays (2a-c und 2e-g) <ol><li> Herstellung von Kupfer (Cu) Saatschichten für Au - Galvanik (Abbildung 2a, b und Figur 2e, f) <ol><li> Verwenden , um einen 4 &quot; mit hohem spezifischem Widerstand Silizium (Si) -Wafer. (Widerstand: 560 bis 840 Ω · cm) als Substrat der Si - Wafer vom N-Typ dotiert ist und poliert auf einer Seite (2a, e). </li><li> Schneiden Sie den Si-Wafer in 2 cm × 2,5 cm große Stücke für die spätere Verwendung. </li><li> Ablagern einer 5 nm Chrom (Cr) -Schicht auf dem Si-Probe unter Verwendung eines Elektronenstrahl- (E-Strahl) Verdampfungsverfahren als Haftschicht zwischen dem Si und Cu. </li><li> Ablagern einer 10 nm Cu-Schicht auf der Oberseite der vorhandenen Cr-Schicht unter Verwendung einesE-Strahlverdampfungsverfahren als die Keimschicht für die Galvanisierung Au (2b, f). </li></ol></li><li> Galvanisieren des Au nanopillar Array (Abbildung 2c, g) <ol><li> Strukturieren der nanopillar Array <ol><li> Spin-Coating-Photoresist auf dem in Abschnitt 1.1 bei 2.000 Umdrehungen pro Minute hergestellten Probe für 60 s. </li><li> Backen Sie die Probe auf einer heißen Platte bei 115 ° C für 60 s. </li><li> Expose des Photolacks unter ultraviolettem (UV) -Licht (Leistung von ~ 15 mW / cm 2) mit einem Cr Photomaske , die für 22 s Tausende von nanopillar Muster enthält. </li><li> Entwickeln mit einem Entwickler für 90 s unter Rühren. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser (DI) und föhnen die Probe mit einer Luftpistole. </li></ol></li><li> Galvanisieren des Au nanopillar Array <ol><li> Entfernen Sie die obere Abschnitt des Photolacks auf der Probe mit Aceton die Cu-Keimschicht für die Elektrodenverbindung zu belichten. </li><li> Schließen Sie das samB. (Cu-Keimschicht) an den negativen Pol einer Quelle Zähler eine Klemme und einen Draht. In diesem Fall ist die Probe die Anode während der galvanischen Prozess. </li><li> Verbinden ein Stück Platin (Pt) beschichteten Si (gleiche Größe wie die Probe) mit dem positiven Anschluss der Quelle Zählers. Die Pt ist die Kathode während des galvanischen Prozess. </li><li> Versenken sowohl die Pt-Kathode und Anode Cu in der Au-Galvanisierungslösung. Halten Sie die beiden Elektroden, die einander mit einem Abstand von ca. 1 cm gegenüber. </li><li> Schalten Sie die Quelle Meter und liefern eine konstante Spannung von 1,12 V. galvanisieren Au auf der Probe für 8 min (Abscheidungsrate: ~ 100 nm / min). </li><li> Spülen der Probe mit deionisiertem Wasser, gefolgt von Aceton den Photoresist zu entfernen. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser wieder und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die galvani Au nanopillar Array unter einem Mikroskop. </li><li> Messen Sie die Dicke der Au-Nanosäulen mit einem Profilometer (Die Dicke derAu Nanosäulen ist ~ 800 nm). HINWEIS: Konstantstrom-Set-up kann auch zu galvanisieren Au Nanosäulen verwendet werden. Sowohl bei konstanter Spannung und konstantem Strom-Set-ups, die ideale Strom und Spannung für Au-Galvanik verwendet wird, kann durch Versuch und Irrtum erreicht werden. </li></ol></li></ol></li></ol> 2. Erzeugen von Nano-Lücken zwischen Au Nanosäulen (2d, h) <ol><li> Entfernung von Cr und Cu - Schichten <ol><li> Tauchen Sie die Probe in Cu-Ätzmittel, bis die Cu Farbe verschwindet. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die Au-Nanosäulen unter einem Mikroskop. </li><li> Tauchen Sie die Probe in Cr-Maske Ätzmittel für 10 s. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die Au-Nanosäulen unter einem Mikroskop. </li></ol></li><li> Herstellung von nanoskalige Aluminiumoxid (Al 2 O 3) Lücken <ol><li> Erhitzen Sie das ALD-System chamber bis 200 ° C. </li><li> Die Probe wird in der Mitte der Kammer. </li><li> Abpumpen der Kammer auf ein Vakuum und stellen Sie die Zyklenzahl auf 100 (Abscheidungsrate: ~ 1 Å / Zyklus). </li><li> Sequentielles und alternativ Trimethylaluminium (TMA) -Gas mit einer Zeitdauer von 0,015 s und Wasser (H 2 O) Dampf mit einer Zeitdauer von 0,015 s in die Kammer Puls gleichmäßig Al 2 O 3 Schichten auf der Probe abzuscheiden. Der zeitliche Abstand zwischen jedem Impuls beträgt 5 s. Der Kammerdruck während der TMA - Impuls 10 Torr und der Druck während der H 2 O - Dampf Impuls 2 Torr. </li><li> Spül- und Vakuum der Kammer zwischen jedem Zyklus der Abscheidung. Kaution Al 2 O 3 für 100 Zyklen und aus der Kammer der Probe herausnehmen. </li><li> Messen der Dicke der ALD Al 2 O 3 unter Verwendung eines Ellipsometers. </li></ol></li></ol> 3. Herstellung der zweiten Schicht aus einer Au-Dünnschicht (Abbildung 2i-l und Abbildung 2m-p) <ol><li> Herstellung von Cu - Keimschichten für Au - Galvanik (Abbildung 2i, m) <ol><li> Die Probe wird in der Mitte eines E-beam Verdampfer Probenhalter. </li><li> Drehen um die Drehung der Probe in der E-beam Verdampfer ab. </li><li> Ablagern einer 5 nm Cr - Schicht auf der Probe als Haftschicht 2 O 3 und Cu zwischen Al zu wirken. Verwenden Sie eine E-Verdampfungsverfahren ohne Probenrotation. </li><li> Kaution 10 nm Cu auf der Oberseite der vorhandenen Cr-Schicht unter Verwendung eines E-Strahl-Verdampfungsverfahren ohne Probenrotation als Keimschicht für Au-Galvanik. </li></ol></li><li> Galvanisieren des Au - Dünnfilm (Abbildung 2j, n) <ol><li> Verbinden der Probe (Cu-Keimschicht) an den Minuspol der Quelle Zähler eine Klemme und einen Draht. In diesem Fall ist die Probe die Anode während der galvanischen Prozess. </li><li> Verbinden den Pt Kathode mit dem positiven Anschluss der Quelle Zählers. </li><li> Versenken sowohl die Pt-Kathode und Cu anode in der Au Galvanisierlösung. Halten Sie die beiden Elektroden, die einander mit einem Abstand von ca. 1 cm gegenüber. </li><li> Schalten Sie die Quelle Meter und konstante Spannung von 1,35 V und galvanisieren Au auf der Probe für 16 min eingerichtet. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die galvani Au und die zuvor galvani Au nanopillar Array unter einem Mikroskop. </li><li> Messen Sie die Dicke der Au-Nanosäulen mit einem Profilometer (Dicke der Au-Nanosäulen ist ~ 400 nm). HINWEIS: Ähnlich wie bei der Au-Galvanik in Abschnitt 1.2.2, Konstantstrom-Set-up kann auch zu galvanisieren Au-Dünnfilm verwendet werden. Sowohl bei konstanter Spannung und konstantem Strom-Set-ups, die ideale Strom und Spannung für Au-Galvanik verwendet wird, kann durch Versuch und Irrtum erreicht werden. </li></ol></li><li> Die Entfernung von Cr und Cu - Schichten (Abbildung 2k, o) <ol><li> Tauchen Sie die Probe in Cu-Ätzmittel für 10 s. </li><li> Spülen Sie die Probe mit DI-Wasser eind Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die Au-Nanosäulen unter einem Mikroskop. </li><li> Tauchen Sie die Probe in Cr-Maske Ätzmittel für 10 s. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die Au-Nanosäulen unter einem Mikroskop. HINWEIS: Alternativ unterzutauchen die Probe in Au wieder Galvanisierungslösung eine zusätzliche Schicht von Au auf der Oberseite der zweiten elektroplattierten Au-Schicht nach der Entfernung von Cr und Cu (Schritt 3.3) abzuscheiden. Diese zusätzliche Au Schicht erhöht die Gesamtdicke der zweiten Au - Schicht und gewährleistet einen guten Kontakt zwischen der Au - Schicht und der Al 2 O 3 -Schicht (Abbildung 2i, p). </li></ol></li></ol> 4. Definition von C-Form SRR (Abbildung 2Q-s und Abbildung 2u-w) <ol><li> Strukturieren der C-Form SRR (Abbildung 2Q, u) <ol><li> Schleuderbeschichten ein Photoresist auf der Probe bei 2.000 Upm für 60 s. </li><li> Backen Sie die Probe auf Heizplatte von 115 ° C für 60 s. </li><li&gt; Expose Photoresist unter UV-Licht (Leistung von ~ 15 mW / cm 2) mit einem Cr Photomaske für 22 s. </li><li> Entwickeln mit einem Entwickler für 90 s unter Rühren. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und föhnen die Probe mit einer Luftpistole. </li></ol></li><li> C-Formdefinition unter Verwendung von Ionenmühle (Abbildung 2 r, v und Abbildung 2s, w) <ol><li> Bringen Sie die Probe auf einer Ionenmühle Probenhalter mit doppelseitigen Cu leitendes Band. </li><li> Abkühlen der Ionenmühle Kammer bis 6 ° C. </li><li> Ionenstrahlätzen die Probe mit einer Strahlspannung von 300 V und einem Strahlstrom von 125 mA für ~ 30 min. </li><li> Nehmen Sie die Probe aus und prüfen Sie die Au-Nanosäulen außerhalb der C-Form. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 4.2.3 und 4.2.4, wenn Au noch sichtbar außerhalb der C-Form ist. </li><li> Beschallen die Probe in Aceton den Photoresist zu entfernen. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li><li> Überprüfen Sie die Probe unter dem Mikroskop. </li><li> Wiederholen Sie Schritt 4.2.6 und 4.2.7, wenn Photoresist wird nicht vollständig entfernt. HINWEIS: Alternativ gelten Sauerstoff Resists Erweichung Schritte zu dem Photoresist vor Entfernen des Photolacks. Jedoch ist ein Ultraschallbad die effektivste Methode zur Entfernung Photoresist falls zutreffend. </li></ol></li></ol> 5. Entfernung von Al 2 O 3 für Air Nano-Lücken (Abbildung 2t, x) <ol><li> Unterzutauchen die Probe in 5% Fluorwasserstoff (HF) Lösung für 5 min Al zu entfernen 2 O 3. </li><li> Spülen Sie die Probe mit VE-Wasser und Föhnen mit einer Luftpistole. </li></ol>

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Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Diese Herstellungstechnik hat erhebliche Vorteile für nanoskalige Strukturen gegenüber bestehenden Verfahren wie Elektronenstrahllithographie und Selbstorganisation zu schaffen. Erstens nanoskalige Strukturen können über einen großen Bereich (ein ganzer Wafer) unter Verwendung einer Photomaske realisiert werden, die nanopillar Anordnungen verfügt, die mit einem E-Strahl-Lithographieverfahren nicht praktikabel ist. Zweitens verwendet der Herstellungsprozeß eine traditionelle Wafermaßstab Mikroherstellungsverfahre...

Terahertz (THz) Metamaterialien (MMs) wurden für biomedizinische Sensoren und frequenzagilen Vorrichtungen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 entwickelt. Um die Empfindlichkeit und Frequenzselektivität der THz-MM-Sensoren, eine nanopillar-basierten Split-Ring-Resonator (SRR) zu verbessern wurde mit Verschiebungsstrom im Inneren Gold (Au) nanopillar Arrays erzeugt entwickelt, um THz-Resonanzen mit extrem hohen Qualitätsfaktoren anregen ( Q-Faktoren) (~ 450) (Figur 1) 12. Obwohl nanopillar-basierte SRRs zeigen hohe Q-Faktoren und viel versprechende Mess Fähigkeiten, die Herstellung solcher nanostructures mit hohen Aspektverhältnissen (mehr als 40) und nanoskaligen Spalte (unter 10 nm) über eine große Fläche bleibt eine Herausforderung 13. Die am häufigsten verwendete Technik nanoskalige Strukturen herzustellen , ist der Elektronenstrahllithographie (EBL) 14, 15, 16, 17. Jedoch ist die Auflösung von EBL noch aufgrund der Strahlpunktgröße beschränkt, Elektronenstreuung, die Eigenschaften des Resists und der Entwicklung 18, 19. Darüber hinaus ist es nicht praktisch Nanostrukturen aufgrund einer langsamen Prozesszeit und große Prozesskosten 20 unter Verwendung EBL über eine große Fläche herzustellen. Eine andere Strategie , Nanostrukturen zu erreichen , ist eine Selbstmontage - Technik zu verwenden , 21, 22. Durch selbstorganisierende Metall-Nanowürfel (NCS) in einer Lösung und utilllen die elektrostatische Wechselwirkung und die Assoziation von Polymerliganden zwischen NCs, kann eine gut organisierte eindimensionalen NC - Array mit nanoskaligen Lücken 23 erreicht werden. Die Nanospaltgröße hängt von den Polymerliganden zwischen den NCs und kann durch Anwendung verschiedener Polymermaterialien mit unterschiedlichen Molekulargewichten von 24, 25, 26 gesteuert werden. Selbstorganisation ist eine leistungsstarke Technik zur Erzielung skalierbar und kosteneffizient Nanostrukturen 23. Jedoch ist der Herstellungsprozeß komplizierter im Vergleich zu herkömmlichen Mikro- und Nano-Fertigungsprozesse und die Steuerung von Nanospaltgrößen ist nicht präzise genug für elektronische Geräteanwendungen. i) das Herstellungsverfahren ist einfach anzuwenden und ist kompatibel mit den Konventionen: Um nanopillar-basierte SRRs erfolgreich herzustellen, ein neuartiges Herstellungsverfahren sollten die folgenden Ziele zu erreichen erfunden werdenal Mikro- und Nanoherstellungsverfahren; ii) Herstellung über einen großen Bereich anwendbar ist; iii) Nanospaltgrößen lassen sich leicht und präzise mit einer 0,1 nm Auflösung gesteuert und kann auf 10 nm oder weniger herunterskaliert werden. Ein neues Herstellungsverfahren unter Verwendung der Kombination aus einem galvanischen Prozess demonstriert und eine Atomlagenabscheidung (ALD) Verfahren nanopillar Basis SRRs herzustellen. Da Galvanik ein selbst Füllvorgang mit niedrigen Kosten ist, ist es einfach, Strukturen über eine große Fläche herzustellen. ALD ist eine chemische Dampfabscheidung (CVD) Prozess, der gerade durch die Reaktionszyklus während des Prozesses gesteuert werden kann. Die Auflösung des ALD - Dünnschicht kann 0,1 nm, und der Dünnfilm gleichmäßig mit hoher Qualität beschichtet, die geeignet ist , um nanoskalige Lücken 27, 28 schaffen. Nanopillar Basis SRR Array mit 10 nm Lücken oder weniger erfolgreich auf einer Fläche von 6 mm × 6 mm hergestellt werden. Sowohl simulated und gemessen THz-Transmissionsspektren zeigen Resonanzverhalten mit extrem hohen Q-Faktoren und großen Frequenzverschiebungen, die die Durchführbarkeit der nanopillar-basierten SRRs durch Verschiebungsstrom vermittelt beweist. Die detaillierten Herstellungsverfahren wird unten im Protokoll Abschnitt beschrieben, und das Video-Protokoll kann Praktiker den Herstellungsprozess zu helfen, zu verstehen und häufige Fehler bei der Herstellung von nanopillar-basierten SRRs assoziiert zu vermeiden.

<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) Split-Ring-Resonator (SRR) Metamaterialien (MMs) wurde für Gas, chemischen und biomolekularen Erfassungsanwendungen untersucht, da die SRR nicht durch Umwelteigenschaften wie die Temperatur und den Druck rund um den Resonator beeinflusst wird. Elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzen ist biokompatibel, was eine kritische Bedingung vor allem für die Anwendung des biomolekularen Erkundung. Allerdings sind der Qualitätsfaktor (Q-Faktor) und Frequenzgang der traditionellen Dünnschicht basierten Split-Ring-Resonator (SRR) MMs sehr gering, was ihre Empfindlichkeiten und Selektivität als Sensoren begrenzt. In dieser Arbeit werden neue nanopillar-basierte SRR MMs, Verschiebungsstrom verwendet wird, sind so konzipiert, den Q-Faktor bis zu 450, die 45 ist um mal höher zu verbessern als bei herkömmlichen Dünnschichtbasis MMs. Zusätzlich zu der Q-Faktor erhöht, die nanopillar basierte MMs einen größeren Frequenzverschiebungen (17-fache im Vergleich zu der von der Tradition erhaltenen Verschiebung veranal Dünnschicht basiert MMs). Aufgrund der deutlich verbesserten Q-Faktoren und Frequenzverschiebungen sowie die Eigenschaft von biokompatiblen Strahlung, die THz nanopillar-basierte SRR sind ideal MMs für die Entwicklung von biomolekularen Sensoren mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität ohne Beschädigung oder Verformung zu Biomaterialien zu induzieren. Ein neues Herstellungsverfahren hat sich gezeigt, die nanopillar-basierte SRRs für Verschiebungsstrom vermittelte THz MMs zu bauen. Ein zweistufiger Gold (Au) Elektroplattierverfahren und ein Atomlagenabscheidung (ALD) -Verfahren werden verwendet, sub-10 nm-Skala Lücken zwischen Au Nanosäulen zu erzeugen. Da das ALD - Verfahren ist ein konformes Beschichtungsverfahren, ein gleichmäßiger Aluminiumoxid (Al 2 O 3) -Schicht mit Nanometer-Maßstab Dicke erreicht werden kann. Durch sequentielles eine andere Au - Dünnfilm Galvanik können die Räume zwischen Al 2 O 3 und Au, einer dicht gepackten Au-Al 2 O 3 -Au Struktur mit nanoskaligen Al 2 O 3 Lücken zu füllen seinhergestellt. Die Größe der Nanolücken können auch durch genau die Abscheidungszyklen des ALD-Prozess-Controlling definiert werden, die eine Genauigkeit von 0,1 nm aufweist.

<html> Fabrication Schemata zeigen jeden Schritt (Abbildung 2a-x). Optische Bilder (Abbildung 2j-ac) und Rasterelektronenmikroskop (SEM) Bilder (Bild 2AD-ag) wurden für die nanopillar Basis SRRs bei verschiedenen Herstellungsschritten gesammelt. Animationen (Abbildung 2a-c) zeigen die erste Schicht von galvani Au Nanosäulen und die zweite Schicht der galvani Au - Filme sowie die Nano-Lücken zwischen ihnen geschaffen. <...

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

Ein Protokoll für die Konstruktion und Herstellung eines neuartigen nanopillar-basierten Split-Ring-Resonator (SRR) dargestellt.

Die Herstellung von Nanopillar-Based Split-Ring-Resonatoren für Verschiebungsstrom Mediated Resonances in Terahertz Metamaterialien

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

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7.7K Aufrufe.  University of Minnesota.  Ein Protokoll für die Konstruktion und Herstellung eines neuartigen nanopillar-basierten Split-Ring-Resonator (SRR) dargestellt. 

Serie: 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.

Herstellung von Silica Ultra High Quality Factor Mikroresonatoren

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

Forschung

Ingenieurwesen

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.

Herstellung Metamaterialien Mit dem Fiber Drawing Methode

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

Terahertz Microfluidic Sensing mit einem Parallel-Platte Waveguide Sensor

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.

Simulation, Herstellung und Charakterisierung von THz Metamaterial Absorber

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.

Mikrowelle Photonics Systems on Whispering-Gallery-Mode-Resonatoren Grundlage

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.

Konstruktion, Fertigung und experimentelle Charakterisierung Plasmonic Photoconductive Terahertz-Emitter

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.

Implementierung eines Referenz-Interferometer für Nanodetection

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.

Nutzung von Plasmonic und Photonic Crystal Nanostrukturen für verbesserte Mikro-und Nanopartikel-Manipulation

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

Biotechnik

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.

Herstellung und Charakterisierung von Superconducting Resonators

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.

Die Herstellung von 1-D Photonic Kristallhöhle auf einer Nanofaser Mit Femtosekunden-Laser-induzierte Ablation

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