基于纳米柱结构开口环谐振器的制备及其在太赫兹超材料位移电流介导谐振中的应用

本方案采用金电镀和原子层沉积方法，制备基于新型纳米柱的具有纳米级间隙的开口环谐振器超材料。每个制备的开口环谐振器由数千根金纳米柱组成，其工作原理依赖于纳米间隙间的位移电流，从而激发太赫兹频段的谐振。位移电流的大小与纳米间隙的尺寸成正比。

通过改变原子层沉积过程的循环次数，可以调节纳米间隙的尺寸，从而引起共振频率和振幅的变化。可实现约450的增强品质因数，是薄膜裂环谐振器所能达到的品质因数11的40倍。此外，还可观察到比基于薄膜的谐振器大17倍的频率偏移。

模拟和实测的透射光谱均表明，基于纳米柱的超材料是高灵敏度传感器和频率可调谐太赫兹器件的理想候选材料。扫描电子显微镜的分析结果展示了所制备的基于纳米柱的开口环谐振器，包括两个相邻的金纳米柱以及它们之间10纳米的氧化铝间隙。基于纳米柱的开口谐振器包含金纳米柱和10纳米的氧化铝间隙。

该结构通过位移电流激发感应和电容共振。它们向其提供更多的能量，增强能量以实现高品质因子和大的频率偏移。由于具有高Q值和大的频率偏移，基于纳米柱的分裂谐振器适用于多种应用，包括生物医学和化学传感器以及频率调谐器件。

与电子束光刻和自组装等现有方法相比，该技术的主要优势在于，仅通过常规的微加工工艺，结合顺序电镀工艺和原子层沉积，即可在大面积上实现纳米级结构。与电子束光刻和自组装相比，该制备过程更加快速和简便。可轻松制备出高长径比的纳米结构，并实现特征尺寸的精确控制。

首先，在平坦的基底上沉积粘附促进层和种子层。然后，通过光刻和电镀工艺对纳米柱进行图案化。最后，采用原子层沉积技术，在整个结构上均匀涂覆一层纳米级的介电层。

随后沉积第二层粘附促进层和种子层，接着进行电镀沉积。最后，通过光刻和离子铣削技术部分刻蚀纳米柱和介电纳米间隙，形成C形开口环谐振器。然后，在超声波浴中使用丙酮去除光刻胶。

从一片四英寸高的高电阻率硅片开始进行基底制备。用丙酮、异丙醇和去离子水清洗硅片，然后用氮气吹干。

使用电子束蒸发仪沉积一层5纳米的铬粘附促进层和一层10纳米的铜种子层。将晶圆切割成2厘米×2.5厘米的片状。随后，在2,000 RPM转速下旋涂一层2微米厚的S1813光刻胶，持续60秒。

将基底在115摄氏度下烘烤60秒。接着，使用掩模对准仪，用强度约为15毫瓦每平方厘米的紫外光照射光刻胶，曝光时间为22秒。纳米柱掩模包含五个毫米乘五个毫米的纳米柱阵列。

在搅拌条件下，使用 MF-319 显影液显影光刻胶 90 秒。用去离子水冲洗样品，然后用氮气吹干。用丙酮去除基底上光刻胶的顶部区域，以暴露铜种子层，用于电极连接。

然后，将样品浸入金电镀液中，电镀约800纳米厚的金层，持续约八分钟。用丙酮去除光刻胶，再用去离子水冲洗，并用氮气吹干。

将样品浸入铬刻蚀液中10秒，随后再浸入铜刻蚀液中10秒，以去除样品表面的铬层和铜层。接着，采用原子层沉积技术在样品表面均匀涂覆一层10纳米的氧化铝层。然后使用电子束蒸发仪在10纳米氧化铝层之上沉积第二层5纳米的铬粘附促进层，以及第二层10纳米的铜种子层。

将样品浸入镀金液中16分钟，在基底上电镀一层400纳米的金膜。以2,000 RPM的转速旋涂2微米厚的S1813光刻胶，持续60秒。在115摄氏度下烘烤基底60秒。

使用掩模对准仪，将光刻胶暴露于C形开口环谐振器掩模，采用约15毫瓦/平方厘米的紫外光照射22秒。用MF-319显影液显影90秒。使用离子束刻蚀系统对光刻胶图案外的结构进行刻蚀，时间约为30分钟。

使用丙酮在超声波清洗仪中去除光刻胶，然后依次用丙酮、异丙醇和去离子水冲洗样品，再用氮气吹干。或者，若需制备空气纳米间隙，可将样品浸入5%的氢氟酸溶液中五分钟，以去除氧化铝。在光学显微镜下检查基于纳米柱的分裂环谐振器。

光学成像显示了硅基底上两个5毫米×5毫米的基于纳米柱的开口环谐振器阵列。放大的光学显微镜图像展示了基于C形纳米柱的开口环谐振器阵列。在单个开口环谐振器的放大图像中，可观察到金纳米柱和氧化铝纳米间隙。

扫描电子显微镜的分析结果还显示了所制备的基于纳米柱的开口环谐振器、两个相邻的金纳米柱，以及它们之间的氧化铝间隙。通过控制氧化铝原子层沉积过程的循环次数，可轻松制备出5纳米和10纳米两种氧化铝间隙。这些结果表明，该制备工艺可在大面积基底上大规模生成数千个基于纳米柱的开口环谐振器。

该工艺能够精确控制纳米间隙的尺寸，与电子束光刻和自组装方法相比，可更简便地制备出高长径比的纳米结构。基于纳米柱的分裂环谐振器包含数千个金纳米柱及纳米级间隙。通过改变纳米间隙的尺寸，可方便地调节基于纳米柱的分裂环谐振器的共振频率和振幅，因此适用于多种应用，包括生物医学传感器和频率可调器件。

观看本视频后，您应充分了解如何利用两步金电镀和原子层沉积工艺制备基于金纳米柱的分裂环谐振器，以在金纳米柱之间形成氧化铝纳米级间隙。理解该工艺的工作原理，并为工艺中使用的每种材料选择合适的材料种类和厚度，是至关重要的。