Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии
DEVICE FOR NANOSTRUCTURING THE SURFACE OF A DIELECTRIC SUBSTRATE USING NEAR-FIELD LITHOGRAPHY

Изобретение 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 исходного используемого излучения и может быть использовано для создания материалов с новыми свойствами и представляет собой устройство обработки поверхности твердого материала с получением на этой поверхности структур с чешуйками субмикронной толщины и микронными размерами и/или с субмикронными трещинами и щелями между упомянутыми чешуйками и/или участками поверхности с характерными субмикронными перепадами по высоте рельефа.
Упорядоченные и неупорядоченные ансамбли наноструктур являются новыми, искусственно созданными материалами, широкий круг применения которых связан с их уникальными свойствами.
Наноструктурирование поверхности приводит к улучшению электрических, тепловых, электронно-эмиссионных и излучательных свойств материалов, повышению биосовместимости с живыми тканями имплантантов и протезов, применяемых в ортопедии и стоматологии. Оно находит применение в микроэлектронике для записи информации со сверхвысокой плотностью, в нанофотонике для разработки светоизлучающих устройств, в спектроскопии, в водородной энергетике для развития площади поверхности и повышения каталитических свойств границы раздела электролитической мембраны с электродами в вырабатывающем ток топливном элементе.
Известно устройство по способу формирования наноструктур на поверхности твердых тел с использованием лазерных импульсов с длительностью несколько фемтосекунд и подобранной соответствующим образом плоскости поляризации излучения [Patent WO 2007/012215 A1, опубл. 01.02.2007]. В результате такого воздействия на обрабатываемых поверхностях возникают рельефы в виде сетки или муаровых полос, которые обладают гидрофобными либо гидрофильными свойствами.
Недостаток этого устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде сетки или муаровых полос. При этом нельзя получить рельефы с периодом менее половины длины волны падающего на материал лазерного излучения.
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 предпочтительнее, 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.
Известно устройство лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, изложенное в работе [Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, B.S. Luk'yanchuk, JETP Letters 72, 457 (2000); Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006)]. Устройство 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.
Недостатком данного устройства является сложность устройства, связанная с тем фактом, что фокусирующее устройство формирует ограниченный набор структур в виде набора «точек».
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, 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 одиночную фотонную струю и обеспечивают пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. В случае одиночной осесимметричной диэлектрической мезоразмерной частицы, например, сферы формируется область фокусировки в виде одиночной «точки». В случае одиночной не осесимметричной диэлектрической мезоразмерной частицы, например, цилиндра, при его облучении со стороны боковой поверхности формируется область фокусировки в виде одиночного прямого отрезка.
Недостаток данного устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде «точек» или сетки.
В качестве прототипа выбрано устройство лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии по патенту РФ 168081. Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, состоит 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 частичек с характерным размером 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.
Недостаток данного устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде «точек» или сетки.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии, обеспечивающего расширенный набор структур в виде колец или параллельной сетки.
Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении качества наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки.
Поставленная задача достигается тем, что устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии состоит из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц с характерным размером 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 и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, новым является то, что на теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства, выполнена коническая выемка обращенная своим основанием к диэлектрической подложке.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведены результаты моделирования сравнения формирования фотонной струи диэлектрическими фокусирующими устройствами в форме: а - сферы диаметром 9λ и с относительным показателем преломления равного 1,4; б - сферы диаметром 9λ и с относительным показателем преломления равного 1,6; в - усеченного цилиндра диаметром 7λ и с относительным показателем преломления равного 1,6 с конической выемкой.
На Фиг. 2 представлен вариант принципиальной схемы предлагаемого устройства.
Обозначения: 1 - лазерное излучение, 2 - диэлектрические фокусирующие устройства, образующие ближнепольную маску 3, 4 - фотонная струя, 5 - диэлектрическая подложка.
Устройство работает следующим образом. На диэлектрической подложке 5 размещаются диэлектрические фокусирующие устройства 2 в виде диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц на теневой поверхности которых выполнена коническая выемка, образующие в совокупности ближнепольную маску 3. При этом коническая выемка своим основанием обращена к поверхности диэлектрической подложки 5. При облучении их лазерным излучением 1 формируются фотонные струи 4 непосредственно у теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства 2. При использовании диэлектрических мезоразмерных частиц в зависимости от их формы могут формироваться фотонные струи в форме кольца или параллельных линий.
Структурирование происходит под теневой поверхностью диэлектрических мезоразмерных частиц непосредственно материала подложки 5 в зависимости от условий в форме выпуклых образований или впадин, например, в зависимости от материала облучаемой подложки.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - сфера, усеченная сфера, цилиндр, усеченный цилиндр начинается с размера грани порядка длины волны используемого излучения. Для характерных размеров диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
Для диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - сфера, усеченная сфера формируется фотонная струя в виде кольца.
Для диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - цилиндр, усеченный цилиндр формируется фотонная струя в виде двух параллельных отрезков.
В результате проведенных исследований было установлено, что при коэффициенте преломления материя диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства  менее, примерно, 1,2 ширина формируемой фотонной струи становится более дифракционного предела, при коэффициенте преломления более 1,7 фотонная струя формируется внутри диэлектрического фокусирующего устройства.
Диэлектрические фокусирующие устройства могут быть выполнены, например, из полистирола, кварца и т.д.
Таким образом, авторами доказано, что использование диэлектрических фокусирующих устройств в ближнепольной маске в форме диэлектрических мезоразмерных частиц, теневая поверхность которых обращена к поверхности диэлектрической подложки и на теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства выполнена коническая выемка, обращенная своим основанием к диэлектрической подложке обеспечивает расширенный набор структур в виде колец или параллельной сетки.