Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии

Полезная модель относится к устройствам лазерного наноструктурирования поверхности с использованием массива упорядоченных диэлектрических мезомасштабных фокусирующих устройств, формирующих максимумы распределения интенсивности лазерного поля, где происходит формирование структур с масштабами, меньшими длины волны исходно используемого излучения. Указанное устройство может быть применено для создания упорядоченных структур на поверхности диэлектрических подложек большой площади за один импульс лазерного излучения с высокими плотностью записи структур и пространственным разрешением. Изготовленные элементы с упомянутыми структурами могут быть использованы для нанометрологии, фильтрации, записи и преобразования оптических сигналов, текстурирования материалов, в качестве подложек при каталитических процессах.
7
При создании массива структур сразу на больших поверхностях наноструктурирование с помощью лазеров имеет существенные преимущества по сравнению с электронными пучками, которые предпочтительны при создании отдельных нанообъектов на поверхности твердого тела. Известны два основных подхода к лазерному наноструктурированию поверхности на больших площадях, это использование интерференции лазерных пучков и структурирование с помощью ближнепольных масок, то есть масок, работающих в ближней зоне дифракции. Если речь идет о модификации поверхности твердого тела с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, то второй подход оказывается предпочтительным, поскольку такие импульсы плохо интерферируют на больших площадях. Простейшим видом ближнепольной маски является слой диэлектрических микрочастиц (микросфер). Обычно такой слой наносится на поверхность материала из коллоидного раствора и образует плотнейшую упаковку в результате процесса самоорганизации. Слои коллоидных частиц, нанесенные на поверхность твердого тела, используются для наноструктурирования поверхности с помощью лазерного излучения. Описанию устройств наномодификации поверхности посвящен ряд работ, опубликованных в литературе, например [Wu W., Katsnelson A., Memis O.G., and Mohseni H. Nanotechnology 18, 485302 (2007); Khan A., Wang Z.B., Sheikh M.A., Whitehead D.J., and Li L. Appl. Surf. Sci. 258, 774 (2011); Chong T.C., Hong M.H., and Shi L.P. Laser Photon. Rev. 4, 123 (2010); Pikulin A., Bityurin N., Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 91, 191106 (2007); Pikulin A., Afanasiev A., Agareva N., Alexandrov A.P., Bredikhin V., and Bityurin N. Optics Express 20, 9052, (2012); Битюрин H.M. Квантовая электроника, 40, 955 (2010), заявка US 20030129545 «Method and apparatus for use of plasmon printing in near-field lithography», МПК G03F 7/00, B82Y, опубл. 10.07.2003, патент РФ №2557677, МПК: G03F 7/20 G03F 7/00 B82Y 40/00].
В данных работах в качестве фокусирующих микролинз используются прозрачные для зондирующего излучения сферические микрочастицы. Из технической литературы известно, что диэлектрические микросферы с диаметром более λ, где λ - длина волны используемого излучения, изготовленные из материала с коэффициентом преломления, находящегося в диапазоне от 1,2 до 1,8, формируют область фокусировки поля вблизи поверхности микросферы (фотонную струю) с поперечными размерами менее дифракционного предела [Frantisek Kundracik, Miroslav Kocifaj, Gorden Videen, and Jozef Klacka. Effect of charged-particle surface excitations on near-field optics // Applied Optics, Vol. 54, Issue 22. pp. 6674-6681 (2015); Hasan, M., & Simpson, J. (2013). Photonic nanojet-enhanced nanometer-scale germanium photodiode. Applied Optics, 52, 5420; Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh. Light scattering and surface plasmons on small spherical particles // Light: Science & Applications (2014) 3, e179; doi:10.1038/lsa.2014.60; PIN-YI LI et al. Unusual imaging properties of superresolution microspheres // Optics Express, 2016 http://dx.doi.org/10.1364/OE.24.016479: Hui Yang, Raphael Trouillon, Gergely Huszka, and Martin A.M. Gijs. Super-resolution imaging of a dielectric microsphere is governed by the waist of its photonic nanojet // Nano Lett, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01255; Nikita Arnold. Influence of the substrate, metal overlayer and lattice neighbors on the focusing properties of colloidal microspheres // Appl Phys A (2008) 92: 1005-1012; N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, B.V. Shishkin, R.A. Akhmedzhanov, E.N. Gorshkova. Surface nanostructuring by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics 44 (6) 556-562 (2014); Terakawa, M., & Tanaka, Y. (2011). Dielectric microsphere mediated transfection using a femtosecond laser. Optics Letters, 36, 2877–2879; Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016].
Известно, что в качестве фокусирующих диэлектрических устройств могут использоваться мезоразмерные частицы с различной формой поверхности, не обладающие осевой симметрией (куб, пирамида, усеченная пирамида, правильный шестиугольник и т.д) с характерными размерами не менее λ, например, [Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin and O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary 3d shape - a new direction of optical information technologies // Vestnik NGU, v. 12, N. 4, 59-70 (2014) http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717?show=full&locale-attribute=en: V. Pacheco-Pena , M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets // OPTICS LETTERS Vol. 40, Iss. 2, 245-248 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin, Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132]. Такие фокусирующие устройства формируют фотонную струю и обеспечивают пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел.
Недостатком данного устройства является сложность устройства, состоящего из множества мезоразмерных частиц и их размещения в пространстве. Кроме того, практическое применение изолированных мезоразмерных частиц для формирования фотонных струй связано с техническими сложностями, связанными с управлением позиционирования мезоразмерных частиц в пространстве [Krivitsky, L.A., Wang, J., Wang, Z.,  B. (2013) Locomotion of microspheres for super-resolution imaging. Sci. Rep. 3, 3501 (2013)] и контролируемые характеристики фотонной струи: длина, ширина, и фокусное расстояние, зависят от геометрических размеров мезоразмерных диэлектрических частиц и их формы. Разности в показателях преломления материалов подложки и мезоразмерных диэлектрических частиц вызывают дополнительные потери на отражение.
Известно устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии по патенту РФ 168081, состоящее из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, при этом диэлектрические фокусирующие устройства выполнены в форме мезоразмерных кубиков с величиной ребра не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения и с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7.
Достоинством устройства является высокая плотность записи структур, а недостатком является его сложность, связанная с управлением позиционирования мезоразмерных частиц в пространстве и контролируемые характеристики фотонной струи: длина, ширина, и фокусное расстояние, зависят от геометрических размеров мезоразмерных диэлектрических частиц и их формы.
В качестве прототипа выбрано устройство лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, изложенное в работе [Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, B.S.  JETP Letters 72, 457 (2000); Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006)]. Устройство - прототип состоит из диэлектрической подложки, на которой размещена ближнепольная маска в виде слоя из кварцевых шариков диаметром 2λ, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения, получая упорядоченную структуру рельефа на диэлектрической подложке.
Недостатками устройства-прототипа является его сложность, обусловленная сложностью управления позиционированием мезоразмерных частиц в пространстве, выбором идентичных мезоразмерных частиц.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является разработка простого устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии с одинаковыми контролируемыми характеристиками формируемых фотонных струй.
Технический результат - использование предлагаемой полезной модели позволяет создать простое устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии с высоким качеством лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, состоящем из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, отличается тем, что каждое диэлектрическое фокусирующее устройство выполнено в форме фазовой дифракционной решетки из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления по отношению к окружающей среде и находящемся в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания фазового профиля не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения.
Кроме того, фазовая дифракционная решетка имеет треугольный профиль.
Кроме того, фазовая дифракционная решетка имеет прямоугольный профиль.
Проблема "сверхфокусировки" при рассеянии световой волны на прозрачной диэлектрической мезоразмерной частице с различной формой поверхности обсуждались различными научными группами [Minin, I.V. and O.V. Minin. 2016. Diffractive Optics and Nanophotonics: Resolution Below the Diffraction Limit. New York: Springer; Lukiyanchuk, B., R.  I.V. Minin, O.V. Minin and Z. Wang. 2017. Refractive index less than two: photonic nanojets yesterday, today and tomorrow. Opt. Mat. Express 7(6): 1820-1847; Minin, I.V., O.V. Minin and Y. Geintz. 2015. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review. Annalen der Physik 527(7-8):491-497.]. Такие микрочастицы-линзы могут формировать области фокусировки вблизи их теневых поверхностей, называемой фотонной струей. Фотонная струя характеризуется высоким значением пространственного разрешения до λ/3-λ/4 и высокой интенсивностью излучения. Фотонная струя формируется за счет интерференции рассеянного и дифрагированного оптического излучения на мезоразмерной диэлектрической структуре.
Однако практическое применение изолированных диэлектрических мезоразмерных частиц для формирования фотонных струй ограничено тем обстоятельством, что на сегодняшний день нет простого решения связанного с управлением позиционирования микрочастиц в пространстве и формирования массива фотонных струй с одинаковыми контролируемыми характеристиками.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 и 2 представлены варианты принципиальных схем предлагаемого устройства.
На фиг. 3. приведены результаты численного моделирования (слева) и эксперимента (справа) формирования фотонной струи фазовой дифракционной решетки с треугольным профилем на длинах волн освещающего излучения равных 671 нм, 532 нм , 405 нм.
На фиг. 4. приведены результаты численного моделирования и эксперимента формирования фотонной струи фазовой дифракционной решетки с прямоугольным профилем. На длине волны равной 532 нм.
Обозначения: 1 - освещающее электромагнитное излучение, 2 - фазовая дифракционная решетка с треугольным профилем, образующая ближнепольную маску, 3 - массив фотонных струй, 4 - фазовая дифракционная решетка с прямоугольным профилем, образующая ближнепольную маску.
Как было установлено авторами предлагаемой полезной модели, выполнение диэлектрических фокусирующих устройств в форме фазовой дифракционной решетки из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления по отношению к окружающей среде и находящегося в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания фазового профиля не менее не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения, позволяет сформировать область фокусировки излучения вблизи теневой поверхности фазового профиля дифракционной решетки в виде массива фотонных струй с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел.
Устройство работает следующим образом. Электромагнитное излучение 1, сформированное, например, лазером, освещает фазовую дифракционную решетку с треугольным 2 или прямоугольным 3 профилями из прозрачного для падающего излучения материала и относительным коэффициентом преломления материала по отношению к окружающей среде, находящегося в диапазоне от 1,2 до 1,7. В результате однородности параметров сформированного фазового профиля на теневой стороне дифракционной решетки формируется массив фотонных струй 3 с одинаковыми характеристиками. Фотонные струи 3 формируются за счет интерференции рассеянного и дифрагированного оптического излучения на фазовом профиле диэлектрической дифракционной решетки.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у диэлектрической дифракционной решетки с треугольным фазовым профилем 2 начинается при высоте и ширине основания фазового профиля не менее не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у диэлектрической дифракционной решетки с прямоугольным фазовым профилем 4 начинается с размера грани кубоида равного 0,5 длины волны используемого излучения.
Для характерных размеров фазового профиля дифракционной решетки с треугольным или прямоугольным профилем менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
В результате проведенных исследований было установлено, что при относительном коэффициенте преломления материя фазовой дифракционной решетки менее 1,2, ширина формируемой фотонной струи становится более дифракционного предела, при коэффициенте преломления более 1,7 фотонная струя формируется внутри фазового профиля дифракционной решетки.
В экспериментах с фазовыми дифракционными решетками использовались решетки изготовленные из полидиметилсилоксана. Фазовые дифракционные решетки могут быть выполнены, например, из полистирола, кварца и т.д.
В таблице 1 приведены параметры формируемых фотонных струй фазовой дифракционной решеткой с треугольным фазовым профилем в зависимости от длины волны освещающего излучения.
Таблица 1
Параметр
Результаты моделирования
Экспериментальные результаты
Длины волны излучения λ, нм
405
532
671
405
532
671
Длина, в ед. λ
6,35
4,91
4,0
6,95
6,02
5,12
Ширина в ед. λ
0,85
0,75
0,77
0,92
0,85
0,87
Фокусное расстояние в ед. λ
1,15
1,12
1,11
1,46
1,23
1,14
Интенсивность
1,55
1,72
1,31
1,23
1,28
1,16
Фазовые дифракционные решетки, формирующие массив идентичных фотонных струй, могут быть изготовлены известными способами. Например, в соответстии с патентами РФ 1675814, 2114450, 2511704, 2615020 и например, с работами [Одиноков С.Б., Сагателян Г.Р., Соломашенко А.Б., Дроздова Е.А. Технология изготовления дифракционных оптических элементов методом плазмохимического травления для формирования точечных эталонных изображений // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 9; А.В. Волков, Методы формирования микрорельефа для синтеза дифракционных оптических элементов // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия Физико-математические науки, 1999, №7, с. 127] и т.д.
Таким образом, авторами доказано, что использование фазовых диэлектрических дифракционных решеток с треугольным или прямоугольным профилями, выполненными из прозрачного материала с относительным коэффициентом преломления по отношению к окружающей среде и находящемся в диапазоне от 1,2 до 1,7, высотой и шириной основания фазового профиля не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения, позволяет получить устройство для изготовления упорядоченных наноструктур на поверхности диэлектрической подложки и увеличить качество структур за счет идентичности характеристик формируемых фотонных струй.