A lézeres nano-metszet leküzdeni a diffrakciós határértéket

A lézeres nano-metszet leküzdeni a diffrakciós határértéket

Vaszilij Ptushenko, Fizikai és matematikai tudomány kandidátusa
Alexander Shakhov, Fizikai és matematikai tudomány kandidátusa
Artem Astafev, Fizikai és matematikai tudomány kandidátusa
Victor Nadtochenko, Doktora Kémiai Tudományok, professzor,
Kémiai Fizikai Intézet RAS
"Kommerszant Tudomány" №1, 2017. február

A fényintenzitás eloszlása ​​a fényforrás céljának fókuszsíkjában: homogén közegben (egy), szilícium mögött (b) vagy polisztirol (c) mikrogömböket tartalmaz vízben. Megmutatott intenzitás színváltozás fekete és kék színnel (legkisebb intenzitás) vörös és fehér (legnagyobb intenzitás). Kép: Shakhov, A. M., Astafiev, A. A., Plutenko, D. O., Sarkisov, O. M., Shushin, A. I., & Nadtochenko, V.

Az Orosz Tudományos Akadémia Kémiai Fizikai Intézetének nanobiofotonikus laboratóriumában ígéretes eredményeket értek el a felületek mikro- és nano-maratásán a pulzusos lézersugárzással.

A technológia számos területén szükség van egy adott mikrorégió létrehozására. Ez mikrofluidikus áramkörökhöz, optikai mikroszenzorok, optikai integrált áramkörök vagy ezek elemei előállításához szükséges: fotonikus kristályok, hullámvezetők, mikrolaserek.

Az ilyen munka nehézsége az, hogy amikor gravírozást alkalmaznak és az eredményt optikai módszerekkel szabályozzák, pontosságukat (térbeli felbontást) az úgynevezett diffrakciós határ korlátozza.

Diffrakciós határérték

A mindennapi életben az általunk látott tárgyak többé-kevésbé kontrasztos körvonalakkal rendelkeznek, és a fény és az árnyék eloszlása ​​egy ötletet ad az objektum formájáról és még a felszínének textúrájáról. Mindez azért lehetséges, mert a "tapintó" szerepe vizuális felfogásunkban játszó fény rendkívül rövid hullámhosszú.

Az akadályt, amelynek méretei a hullámhosszhoz hasonlítanak, a fény kanyarodik körülötte, behatolva a geometriai árnyék területére (ezt a jelenséget eredetileg diffrakciónak nevezték). A keskeny résen a fény különböző irányokban eltér, és nem csak az eredeti mozgás irányában. Két pont, amelyből a fény jön, majdnem megkülönböztethetetlen, ha a távolságuk kisebb, mint a hullámhossz felénél. Ezt a távolságot diffrakciós határnak nevezzük.

Más szóval, az a képesség, hogy két szorosan egymástól elkülönített pontot egymástól megkülönböztessenek, nem az optikai eszköz tulajdonságai, hanem maga a fény tulajdonságai határozzák meg.Egyébként ez az egyik oka annak, hogy a fizikai vizsgálatokban gyakran alkalmaznak rövid hullámú sugárzást – az ultraibolya vagy röntgensugár tartományban. A látható fény esetében a térbeli felbontás határa körülbelül 200-400 nm.

Near field optika

A leírt probléma tehát abból adódik, hogy a fény hullám tulajdonságokkal rendelkezik. A kisméretű térbeli skálákra való áttérés során a fény nem egy végtelenül vékony, egyenes vonalú sugár kombinációja, amely egyértelműen meghatározott szögben tükröződik és megtörik, de olyan hullámok, amelyek minden irányban eltérnek egymástól, mint a vízen lévő körök.

A fizikában ezt a geometriai optikától a hullámoptikáig történő átmenetnek nevezik. Azonban a hullámoptika szintén korlátozza a jelenségek általános elektromágneses leírását. Nagy sugárzású sugárforrásokon dolgozik, az úgynevezett távoli területen. A forrás közvetlen szomszédságában (mint bármelyik optika esetében bármilyen felületet tükröző fényt fognak felvenni) az úgynevezett közeli mezőben az elektromos és mágneses terek eloszlása ​​nagyon eltérő törvényeket tart.

A közeli mezőt jól tanulmányozzák a radiophizikában, ahol a sugárzó antennák körül lehetnek méteresek vagy többek, és viszonylag könnyen hozzáférhetőek a kutatás számára.A közeljövő fizika elveinek optikai mikroszkópiában való felhasználásának ötlete az 1920-as évekig nyúlik vissza. De az 1980-as évek elején csak az első optikai képeket kapták 20-szor kisebb felbontással, mint a hullámhossz.

Kvarc mikrolencsék

A közeli mező optikájának elvei nemcsak a felület mikroszkopikus képeinek megszerzésére alkalmazhatók, hanem fordítva is, hogy megteremtik az elektromágneses mezők szükséges elosztását rajta. Erre a célra kb. 1 mikron méretű kvarc mikropallákat használtunk közeli terepen.

Kvarc mikrogömbök előállítása (üveg mikrogömbök) az 1950-es években kezdődött. Egyszerű és olcsó gyártás, jelenleg különböző célokra használják az olaj- és bányászati ​​iparban, festékek és építőanyagok, kozmetikumok és különféle fogyasztási javak gyártásában. A mikrogömbök átmérőjének és gömbölyűségének kis eltérései nem befolyásolják a keletkező képek felbontását és pontosságát.

Figyelemre méltó, hogy ezek a golyók lézersugárzással rögzíthetők: nagy frekvenciájú (több mint 80 MHz-es) impulzusos lézersugárzással a dielektromos kvarcrészecske a lézernyaláb legintenzívebb elektromágneses mezőjébe kerül.Az utóbbi években ezt a hatást széles körben alkalmazzák a tudomány és a technológia különböző területein, és "lézeres csipeszek" vagy "optikai csapda" néven ismertek. Esetünkben ugyanazt a lézersugarat használhatjuk mind a felületi anyag befolyásolására, mind a kvarc részecske szabályozására.

ICP – a Kémiai Fizikai Intézet angol nevének rövidítése. N. N. Semenova, amely kifejlesztett egy módszert egy dombormintának a felületre (üveg, zafír, polimer filmek) történő alkalmazásával, lézeres sugárzás alkalmazásával, amelyet szilikon mikrogömbök közé helyezett (a diagramon látható). Kép: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Near-field fotokémia

A sugárzási intenzitás eloszlása ​​az ilyen mikrolencsék közeli mezőjében kapott fénypontban észrevehető gradienssel fog rendelkezni (lásd az ábrát). Lehetőség van a sugárzási paraméterek (intenzitás, impulzus időtartam, és mások) megválasztására úgy, hogy a kívánt területen a lézersugárzásnak a kívánt hő-, termokémiai vagy fotokémiai hatása legyen az anyagon. Ráadásul a régió mérete sokkal kisebb lehet, mint a diffrakciós határ.Már sikerült csökkenteni a régió méretét, amelyet lézersugárzással tudunk feldolgozni 1 / 8-1 / 11 hullámhosszon, a "standard" 1/2 érték helyett.

Ebben az esetben a lézer nem égeti meg a megvilágított felület minden részét, hanem kémiai módosítását okozza. Például, ha befolyásoljuk a kvarc felszínén lévő sugárzást (szilícium-oxid, SiO2), akkor elveszíti az oxigént. Először is, miután a kvarc felületét lézerrel kezelték, a mikroszkópok (a lézersugárba való kitettség pontján) vagy a mikroszálak (a lézersugár mentén) megjelennek. Ez azért történik, mert a kvarc hőtágulása és az oxigén felszabadulása alatt "felforrósodik". És csak azután, hogy a szilíciumot kimossák a lúgokkal, a lyukak a csúcsok helyett a kvarc mikrorégiójában jelennek meg, és az aknák helyett lövészárok (lásd az ábrát).

Az anyag felülete lézersugárzás után (egy) és az ezt követő maratással alkáli (b), KOH – kálium-hidroxid, más néven kausztikus kálium. Kép: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)

Figyelembe véve a térbeli felbontást (tíz nanométer), módszerünket nano-gravírozásnak nevezzük (a tudományos lexikonban a felszíni nanoszerkezet gyakran használatos).Jelenleg az ilyen térbeli méretekben történő felületkezelés csak ionos vagy ultraibolya litográfia segítségével lehetséges, azonban ezek a technológiák összehasonlíthatatlanul drágábbak és nehezebbek használni. Az itt leírt technológia széleskörű lehetőségeket nyit meg egy egészen új irányba, az úgynevezett lab-on-a-chip ("laboratóriumi chipen"), és nemrégiben rendkívül igényes volt, nemcsak tudományos, hanem orvosi feladatokban is.

Ultraibolya litográfia – polimer fényérzékeny anyag (fotorezisztens) felületére történő alkalmazás, amely az ultraibolya sugárzás hatása alatt oldhatóvá válik, és oldószerrel eltávolítják. Használt "mély" (mély ultraibolya, DUV) vagy "kemény" (extrém ultraibolya, EUV) ultraibolya sugárzással, melynek hullámhossza körülbelül 200 nm vagy 13,5 nm volt. A technológia akár több nanométeres felbontást is biztosít. Számos hátrány létezik: az EUV eléggé nagy teljesítményű, az EUV szinte bármilyen anyaggal történő felszívódásának összetettsége és magas költsége, beleértve az optikai rendszerek komponenseit, a vákuumban való munka szükségességét.

Ion (vagy ionnyaláb) litográfia – a kép a felületre ionhullámokkal, általában protonokkal vagy alfa részecskékkel rajzolva. Az anyagok nagy érzékenysége miatt a viszonylag nehéz töltésű részecskék áramlásával történő besugárzás miatt lehetővé válik a polimer fotoreziszt alkalmazása. Maximális felbontást biztosít 10 nm-nél.

Microfluidics (mikrohidrodinamika) – A folyadékok viselkedésére vonatkozó tudomány mikro- és nanospatiális skálán. A fő alkalmazási területek kis méretű műszaki eszközök (pl. Tintasugaras nyomtatók), gyógyszerek és molekuláris biológia.


Like this post? Please share to your friends:
Vélemény, hozzászólás?

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