Laser nano-gravering overvinder diffraktionsgrænsen

Laser nano-gravering overvinder diffraktionsgrænsen

Vasily Ptushenko, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab
Alexander Shakhov, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab
Artem Astafev, Kandidat i Fysisk og Matematisk Videnskab
Victor Nadtochenko, Doctor of Chemical Sciences, professor,
Institut for Kemisk Fysik RAS
"Kommersant Science" №1, februar 2017

Fordelingen af ​​lysintensitet i brændpunktet for lyskildens formål: i et homogent medium (en) bag silicium (b) eller polystyren (c) mikrosfærer i vand. Intensitet vist farveændring fra sort og blå (laveste intensitet) til rød og hvid (højeste intensitet). Billede: Shakhov, A. M., Astafiev, A. A., Plutenko, D. O., Sarkisov, O. M., Shushin, A. I., & Nadtochenko, V.

I laboratoriet for nanobiophotonics fra Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences, er lovende resultater opnået inden for mikro- og nano-ætsning af overflader ved hjælp af pulserende laserstråling.

På mange områder af teknologi er der et behov for at skabe et givet mikrofel. Dette er nødvendigt for mikrofluidiske kredsløb ved produktion af optiske mikrosensorer, optiske integrerede kredsløb eller deres elementer: fotoniske krystaller, bølgeledere, mikrolasere.

Problemet ved et sådant arbejde er, at når man anvender en gravering og styrer resultatet med optiske metoder, er deres nøjagtighed (rumlig opløsning) begrænset af den såkaldte diffraktionsgrænse.

Diffraktionsgrænse

I hverdagen har de objekter, vi ser, mere eller mindre kontrastmæssige konturer, og fordelingen af ​​lys og skygge giver en ide om formen på objektet og endog overfladenes tekstur. Alt dette er kun muligt, fordi det lys, der spiller en "sonde" rolle i vores visuelle opfattelse, har en ekstrem kort bølgelængde.

I modsætning til en forhindring, hvis dimensioner er sammenlignelige med bølgelængden, vil lyset bøje sig omkring det og trænge ind i området for den geometriske skygge (dette fænomen blev oprindeligt kaldt diffraktion). På en smal spalte vil lyset afvige i forskellige retninger, og ikke kun i retning af den oprindelige bevægelse. To punkter, hvorfra lys kommer, vil næsten ikke skelnes, hvis afstanden mellem dem er mindre end halvdelen af ​​bølgelængden. Denne afstand kaldes diffraktionsgrænsen.

Med andre ord er evnen til at skelne to tæt adskilte punkter fra hinanden ikke bestemt af egenskaberne af den optiske enhed, men af ​​egenskaberne af selve lyset.Af den måde er dette en af ​​grundene til, at ofte brug kortvågstråling i fysiske undersøgelser – i ultraviolet eller røntgenområdet. For synligt lys er grænsen for rumlig opløsning omkring 200-400 nm.

Nær feltoptik

Det beskrevne problem stammer derfor fra, at lyset har bølgeegenskaber. I overgangen til små rumskalaer er lys ikke en kombination af uendeligt tynde retlinjestråler, reflekteret og refraheret i klart definerede vinkler, men bølger, der divergerer i alle retninger, som cirkler på vand.

I fysikken kaldes dette overgangen fra geometrisk optik til bølgeoptik. Bølgeoptik er imidlertid også et begrænsende tilfælde af en generel elektromagnetisk beskrivelse af fænomener. Det arbejder i store afstande fra en strålekilde, i det såkaldte fjerntliggende felt. I umiddelbar nærhed af kilden (som i enhver optik vil der være nogen overfladereflekterende lys), i det såkaldte nærområde vil distributionen af ​​elektriske og magnetiske felter adlyde meget forskellige love.

Nærområdet er godt studeret i radiofysik, hvor det kan være meter eller mere omkring en udstrålende antenne og er relativt let tilgængelig til forskning.Meget ideen om at anvende principperne for nærfysisk fysik i optisk mikroskopi går tilbage til 1920'erne. Men det var først i begyndelsen af ​​1980'erne, at de første optiske billeder blev opnået med en opløsning 20 gange mindre end bølgelængden.

Quartz mikrolinser

Principperne for nærfeltoptik kan anvendes ikke kun for at opnå mikroskopiske billeder af overfladen, men omvendt for at skabe den nødvendige fordeling af elektromagnetiske felter på den – til dens behandling. Til dette formål brugte vi kvarts mikroballer omkring 1 mikron i størrelse som nær-felt mikrolinser.

Fremstilling af kvarts mikrokugler (glas mikrosfærer) begyndte i 1950'erne. Enkel og billig at fremstille, de bruges nu til forskellige formål i olie- og minedriftindustrien, til fremstilling af maling og byggematerialer, kosmetik og en række forbrugsgoder. Små variationer i mikrosfærernes diameter og sfæricitet påvirker ikke opløsningen og nøjagtigheden af ​​de resulterende billeder.

Det er bemærkelsesværdigt, at disse bolde kan optages af laserstråling: Ved højfrekvent (mere end 80 MHz) pulserende laserstråling trækkes den dielektriske kvartspartikel ind i området for det mest intense elektromagnetiske felt i laserstrålen.I de senere år har denne effekt været anvendt i vid udstrækning inden for forskellige områder inden for videnskab og teknologi og er kendt som "laser pincet" eller "optisk fælde". I vores tilfælde kan den samme laserstråle både bruges til at påvirke overfladesubstansen og for at styre en kvartspartikel.

ICP – en forkortelse af det engelske navn på Institut for Kemisk Fysik. N. N. Semenova, som udviklede en metode til at anvende et reliefbillede på overfladen (glas, safir, polymerfilm) ved hjælp af laserstråling fokuseret af siliciummikrosfærer (vist i diagrammet). Billede: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Nærbillede fotokemi

Intensitetsfordelingen af ​​stråling i lyspunktet opnået i nærområdet af sådanne mikroliner vil have en mærkbar gradient (se figur). Det er muligt at vælge strålingsparametrene (intensitet, pulsvarighed og nogle andre), således at laserstrålingen i det krævede område vil have den ønskede termiske, termokemiske eller fotokemiske virkning på materialet. Desuden kan størrelsen af ​​denne region være meget mindre end diffraktionsgrænsen.Vi har allerede formået at reducere størrelsen af ​​regionen, som vi er i stand til at behandle med laserstråling, til 1 / 8-1 / 11 bølgelængde, i stedet for "standard" grænsen på 1/2.

I dette tilfælde brænder laseren ikke på hele den del af overfladen, der er belyst af den, men forårsager dens kemiske modifikation. For eksempel, hvis vi påvirker stråling på overfladen af ​​kvarts (der repræsenterer siliciumoxid, SiO2) så mister hun ilt. Først efter at have behandlet overfladen af ​​kvartset med en laser, vises mikro-mikrofoner (ved eksponering for laserstrålen) eller mikrobølger (langs laserstrålen). Dette sker på grund af den termiske udvidelse af kvarts og dens "kogning" under frigivelsen af ​​ilt. Og først efter efterfølgende ætsning med alkali, som vasker ud silicium, forekommer huller i kvarts mikrorelief i stedet for toppe og skyttegrav i stedet for aksler (se figuren).

Materialets overflade efter behandling med laserstråling (en) og efterfølgende ætsning med alkali (b), KOH – Kaliumhydroxid, også kaldet kaustisk kalium. Billede: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Under hensyntagen til den rumlige opløsning (tio nanometer) skal vores metode kaldes nano-gravering (i det videnskabelige leksikon benævnes overflade nanostrukturering ofte).På nuværende tidspunkt er overfladestrukturering ved sådanne rumlige skalaer kun mulig ved hjælp af ion eller ultraviolet lithografi, men disse teknologier er uforligneligt dyrere og vanskeligere at bruge. Den her beskrevne teknologi åbner op for store muligheder for udvikling af en helt ny retning, kendt som lab-on-a-chip ("laboratorium på en chip"), og det har været ekstremt krævet for nylig ikke kun i videnskabelige, men også for eksempel i medicinske opgaver.

Ultraviolet lithografi – påføring på overfladen af ​​et polymerfotosensitivt materiale (fotoresist), som under påvirkning af ultraviolet stråling bliver opløselig og fjernes med et opløsningsmiddel. Brugt "dyb" (dyb ultraviolet, DUV) eller "hard" (ekstrem ultraviolet, EUV) ultraviolet stråling med bølgelængder på henholdsvis ca. 200 nm eller 13,5 nm. Teknologien giver en opløsning på op til flere nanometer. Der er en række ulemper: kompleksiteten og den høje pris for at opnå EUV af tilstrækkelig høj effekt, absorption af EUV med næsten ethvert materiale, herunder komponenter i optiske kredsløb, behovet for at arbejde i vakuum.

Ion (eller ionstråle) litografi – tegning af billedet på overfladen ved hjælp af ionstråler, som regel protoner eller alfa partikler. På grund af materialernes høje følsomhed til bestråling ved hjælp af strømmen af ​​relativt tungt ladede partikler gør det muligt at opgive anvendelsen af ​​polymerfotoresist. Giver opløsning op til 10 nm.

Mikrofluidika (mikrohydrodynamik) – Videnskaben om væskes adfærd på mikro- og nanospatiale skalaer. De vigtigste anvendelsesområder er tekniske anordninger af små størrelser (fx inkjetprint-enheder), medicin og molekylærbiologi.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: