Fabrication of large area surface plasmonic nanogratings
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2020-01-20
Department
Major/Subject
Photonics and Nanotechnology
Mcode
ELEC3052
Degree programme
Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)
Language
en
Pages
68 + 4
Series
Abstract
Surface plasmon resonance is a phenomenon in which illuminated nanoscale particles exhibit strong near eld electric eld enhancement. This has many applications in the area of sensing, with spectroscopic measurements such as uorescence and Raman scattering having their signal to noise ratio enhanced by the strong electric near eld. For surface plasmons to be excited in bulk material, coupling structures need to be fabricated. One of these structures are nanogratings, and this thesis explores the fabrication of these nanogratings, with an emphasis on mass production. Two methods of fabrication were used. First a series of samples were patterned with a grating pattern using electron beam lithography (EBL). After lithography, the samples were etched using reactive ion etching (RIE). The etched samples were characterized using scanning electron (SEM) and atomic force microscopy (AFM). The EBL pattern quality was found to be adequate, and the process was optimized to maximize throughput. The RIE grating etch was found to be unsatisfactory, and a new, working etching process was devised and demonstrated. Re ectance spectroscopy measurements suggested plasmonic resonance for these samples. The second method used was nanoimprint lithography (NIL). For this, stamps were fabricated, starting by fabricating the gratings using EBL and in a similar way as before. After this, a process for etching the mesa of the stamp whilst conserving the grating was developed. The fabricated stamps were then used to pattern substrates. The rst experiments were failures, with the resist sticking to the stamp. From the failed experiment it became apparent an anti-sticking coating was needed. An anti-sticking layer was rst deposited unsuccessfully using a manual process, but the second method of deposition via atomic layer deposition (ALD) was successful. With the coated stamps more imprinting experiments were done. These experiments unfortunately failed, rst due to alignment problems and afterwards due to an unknown reason possibly related to the alignment.Pintaplasmoniresonanssi on ilmiö, jossa valaistut nanoskaalan hiukkaset osoittavat voimakasta lähialueen sähkökentän voimistamista. Tällä on monia käyttökohteita aistimisen saralla, muun muassa spektroskopisten heijastus- ja Raman-mittauksien signaali-kohina -suhteen parantaminen voimakkaan paikallisen sähkökentän ansiosta. Pintaplasmonien virittämiseen suuremmissa ainemäärissä tarvitaan nanorakenteita. Yksi näistä rakenteista on nanohilarakenne, ja tämä lopputyö käsittelee näiden valmistusta, korostaen massatuotannon vaatimuksia. Hiloja valmistettiin kahdella tavalla. Ensimmäistä menetelmää varten valmistettiin sarja näytteitä elektronisädelitogra alla. Litogra an jälkeen näytteet etsattiin reaktiivisella ionietsauksella ja mitattiin käyttäen pyyhkäisyelektroni- ja atomivoimamikroskooppeja. Litogra alla kuvioidut hilarakenteet olivat laadultaan tyydyttäviä, ja prosessi optimoitiin tuotantokyvyn maksimoimiseksi. Hilojen etsausprosessi todettiin puutteelliseksi, ja uusi toimiva prosessi kehitettiin ja osoitettiin toimivaksi. Tehdyt heijastusspektrimittaukset viittasivat näytteiden ilmentävän plasmonista resonanssia. Toinen valmistustapa oli nanopainantalitograa. Tätä varten tehtiin leimasimia, alkaen nanohilarakenteiden kuvioimisella elektronisädelitogra alla kuten aikaisemminkin. Tämän jälkeen leimasimen tasannetta varten kehitettiin etsausprosessi, säilyttäen tasanteen päälliset hilarakenteet. Valmistettuja muotteja käytettiin hila- kuvion siirtämiseen perusmateriaaliin. Ensimmäiset kokeet epäonnistuivat resistin tarttuessa muottiin. Epäonnistuneiden kokeiden tuloksista pääteltiin, että leimasin tarvitsi tarttumisenestopinnoitteen. Pinnoite höyrystettiin leimasimelle ensiksi käsikäyttöisellä menetelmällä, mutta lopputulokset olivat huonot. Toinen kokeiltu menetelmä eli atomikerrospinnoitus onnistui. Pinnoitetuilla muoteilla tehtiin uusia kokeita kuvion siirtämisellä painannalla. Nämä kokeet epäonnistuivat, ensiksi kohdistusongelman takia, ja tämän jälkeen tuntemattomasta syystä johtuen.Description
Supervisor
Sopanen, MarkkuThesis advisor
Subramaniyam, NagarajanKeywords
nanoimprint lithography, nanofabrication, plasmonics, electron beam lithography, plasmonic grating, reactive ion etching
