Abstract

We show that nanoimprint lithography combined with electron-beam evaporation provides a cost-efficient, rapid, and reproducible method to fabricate conical nanostructures with very sharp tips on flat surfaces in high volumes. We demonstrate the method by preparing a wafer-scale array of gold nanocones with an average tip radius of 5 nm. Strong local fields at the tips enhance the second-harmonic generation by over 2 orders of magnitude compared with a nonsharp reference.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. A. Maier and H. A. Atwater, J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
    [CrossRef]
  2. V. M. Shalaev, Nat. Photonics 1, 41 (2006).
    [CrossRef]
  3. K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
    [CrossRef]
  4. K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
    [CrossRef]
  5. A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
    [CrossRef]
  6. L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge U. Press, 2006).
  7. A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. B. Knoll and F. Keilmann, Nature 399, 134 (1999).
    [CrossRef]
  9. D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
    [CrossRef]
  10. B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  11. S. Takahashi and A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80, 3479 (2002).
    [CrossRef]
  12. M. Danckwerts and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 98, 026104 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  13. S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  14. C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
    [CrossRef]
  15. H. Mimura, in IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC) 2007 (2007), pp. 1-4.
  16. F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
    [CrossRef]
  17. C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
    [CrossRef]
  18. T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  19. T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
    [CrossRef]

2008 (4)

D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
[CrossRef]

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2007 (3)

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

M. Danckwerts and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 98, 026104 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (1)

V. M. Shalaev, Nat. Photonics 1, 41 (2006).
[CrossRef]

2005 (2)

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

S. A. Maier and H. A. Atwater, J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
[CrossRef]

2003 (2)

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

2002 (2)

S. Takahashi and A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80, 3479 (2002).
[CrossRef]

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

1999 (1)

B. Knoll and F. Keilmann, Nature 399, 134 (1999).
[CrossRef]

1997 (1)

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

1976 (1)

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

Atwater, H. A.

S. A. Maier and H. A. Atwater, J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
[CrossRef]

Bai, B.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Beversluis, M.

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Bouhelier, A.

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Brodie, I.

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

Canfield, B.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Connor, S. T.

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

Crozier, K. B.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

Cui, Y.

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

Danckwerts, M.

M. Danckwerts and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 98, 026104 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Das, G.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Dasari, R. R.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

De Angelis, F.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Di Fabrizio, E.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Feld, M. S.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Fromm, D. P.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

Gramotnev, D. K.

D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
[CrossRef]

Hartschuh, A.

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

Hecht, B.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge U. Press, 2006).

Hsu, C.

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

Humphrey, L.

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

Husu, H.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Itzkan, I.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Jin, J.

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kauranen, M.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Keilmann, F.

B. Knoll and F. Keilmann, Nature 399, 134 (1999).
[CrossRef]

Kim, J.

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, S.

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, S. W.

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, T.

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, Y.

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Kino, G. S.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

Kneipp, H.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Kneipp, K.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Knoll, B.

B. Knoll and F. Keilmann, Nature 399, 134 (1999).
[CrossRef]

Kuittinen, M.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Laukkanen, J.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Liberale, C.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Love, J. C.

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Maier, S. A.

S. A. Maier and H. A. Atwater, J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
[CrossRef]

Matteucci, M.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Mecarini, F.

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Mimura, H.

H. Mimura, in IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC) 2007 (2007), pp. 1-4.

Moerner, W. E.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

Novotny, L.

M. Danckwerts and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 98, 026104 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge U. Press, 2006).

Odom, T. W.

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Park, I.

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Paul, K. E.

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Perelman, L. T.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Quate, C. F.

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

Schuck, P. J.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

Seo, S.

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Shalaev, V. M.

V. M. Shalaev, Nat. Photonics 1, 41 (2006).
[CrossRef]

Son, S.

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Spindt, C. A.

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

Stockman, M. I.

D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
[CrossRef]

Sundaramurthy, A.

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

Takahashi, S.

S. Takahashi and A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80, 3479 (2002).
[CrossRef]

Tang, M. X.

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

Turunen, J.

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Vogel, M. W.

D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
[CrossRef]

Wang, Y.

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

Westerberg, E. R.

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

Whitesides, G. M.

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Wolfe, D. B.

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Zayats, A. V.

S. Takahashi and A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80, 3479 (2002).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (2)

S. Takahashi and A. V. Zayats, Appl. Phys. Lett. 80, 3479 (2002).
[CrossRef]

C. Hsu, S. T. Connor, M. X. Tang, and Y. Cui, Appl. Phys. Lett. 93, 133109 (2008).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (4)

D. K. Gramotnev, M. W. Vogel, and M. I. Stockman, J. Appl. Phys. 104, 034311 (2008).
[CrossRef]

C. A. Spindt, I. Brodie, L. Humphrey, and E. R. Westerberg, J. Appl. Phys. 47, 5248 (1976).
[CrossRef]

S. A. Maier and H. A. Atwater, J. Appl. Phys. 98, 011101 (2005).
[CrossRef]

K. B. Crozier, A. Sundaramurthy, G. S. Kino, and C. F. Quate, J. Appl. Phys. 94, 4632 (2003).
[CrossRef]

Langmuir (1)

T. W. Odom, J. C. Love, D. B. Wolfe, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Langmuir 18, 5314 (2002).
[CrossRef]

Microelectron. Eng. (1)

F. De Angelis, G. Das, C. Liberale, F. Mecarini, M. Matteucci, and E. Di Fabrizio, Microelectron. Eng. 85, 1286 (2007).
[CrossRef]

Nano Lett. (1)

B. Canfield, H. Husu, J. Laukkanen, B. Bai, M. Kuittinen, J. Turunen, and M. Kauranen, Nano Lett. 7, 1251 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Nanotechnology (1)

T. Kim, J. Kim, S. Son, and S. Seo, Nanotechnology 19, 295302 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Nat. Photonics (1)

V. M. Shalaev, Nat. Photonics 1, 41 (2006).
[CrossRef]

Nature (2)

B. Knoll and F. Keilmann, Nature 399, 134 (1999).
[CrossRef]

S. Kim, J. Jin, Y. Kim, I. Park, Y. Kim, and S. W. Kim, Nature 453, 757 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Phys. Rev. B (1)

A. Sundaramurthy, K. B. Crozier, G. S. Kino, D. P. Fromm, P. J. Schuck, and W. E. Moerner, Phys. Rev. B 72, 165409 (2005).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (3)

A. Bouhelier, M. Beversluis, A. Hartschuh, and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 90, 013903 (2003).
[CrossRef] [PubMed]

K. Kneipp, Y. Wang, H. Kneipp, L. T. Perelman, I. Itzkan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, Phys. Rev. Lett. 78, 1667 (1997).
[CrossRef]

M. Danckwerts and L. Novotny, Phys. Rev. Lett. 98, 026104 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

Other (2)

H. Mimura, in IEEE International Vacuum Electronics Conference (IVEC) 2007 (2007), pp. 1-4.

L. Novotny and B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge U. Press, 2006).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1
Fig. 1

Array of gold nanocones with a period of 300 nm, a base diameter of 130 nm, and an average cone height of 291 nm on a fused-silica substrate.

Fig. 2
Fig. 2

Fabrication principle. (a) The lift-off structure. The top layer is the NIL patterned resist layer. (b) Etching by RIE to expose the substrate. (c) Metal evaporation. Arrows mark the growth direction. (d) After lift-off in acetone.

Fig. 3
Fig. 3

(a) Extinction spectra for TM-polarized light at 50° angle of incidence for nanocones with (solid curve) and without (dashed curve) sharp tips. (b) A 3D finite-element simulation of electric field distribution in a gold nanocone with a 5 nm tip radius of curvature, illuminated from above by a focused radially polarized beam at 1060 nm wavelength. The scale is logarithmic and is cropped at 85% for better visibility.

Fig. 4
Fig. 4

SHG signal as the sample is scanned in transverse direction. The measurement is done for sharp nanocones, with a height of 291 nm, and half-cones, with a height of 88 nm. Dashed lines illustrate the average SHG intensities.

Metrics