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  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 [ Kundracik, Miroslav Kocifaj, Gorden Videen, and Jozef . 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].
Недостатком данного устройства является то, что применяемые в качестве фокусирующих микролинз сферические микрочастицы формируют ближнепольную маску с низкой плотностью записи структур, обусловленной большими размерами частиц и их формой, и не высоким пространственным разрешением.
Известно, что в качестве фокусирующих диэлектрических устройств могут использоваться мезоразмерных частицы с различной формой поверхности, не обладающие осевой симметрией (куб, пирамида, усеченная пирамида, правильного шестиугольника 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. , 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.
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. Luk'yanchuk, 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 являются малое разрешение и низкая плотность записи структур, обусловленная принципиальной невозможностью применения сферических шариков диаметром менее длины волны излучения.
Задачей, решаемой настоящей полезной моделью, является разработка устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии, обеспечивающего лучшее разрешение при высокой плотности записи структур.
Технический результат - использование предлагаемой полезной модели позволяет получить лучшее разрешение при изготовлении упорядоченных наноструктур на поверхности диэлектрической подложки и увеличить плотность записи структур не менее чем в два раза за счет меньших габаритов фокусирующих устройств.
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 и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, согласно полезной модели, 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.
Как установлено авторами предлагаемой полезной модели, выполнение диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных кубиков с величиной ребра, равной 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, позволяет сформировать область фокусировки излучения вблизи поверхности кубика в виде фотонной струи с пространственным разрешением, превышающим дифракционный предел. Фокусирующее устройство в форме микросферы с диаметром равным λ/2, фокусировку излучения (локализацию электромагнитного поля вблизи ее теневой поверхности) не производит и минимальный характерный диаметр микросферы, при котором начинает формироваться фотонная струя, составляет λ. То есть при использовании в качестве диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных кубиков с величиной ребра, равной λ/2, происходит увеличение плотности записи структур как минимум в два раза и увеличение разрешения в способе наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 и 2 представлены варианты принципиальных схем предлагаемого устройства.
На фиг. 3. приведены результаты моделирования сравнения формирования фотонной струи диэлектрическими фокусирующими устройствами в форме кубика и сферы.
На фиг. 1 диэлектрические фокусирующие устройства размещены на подложке в «шахматном» порядке. На фиг. 2 диэлектрические фокусирующие устройства размещены на подложке равномерно.
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 форме кубика, образующие в совокупности ближнепольную маску 3. При облучении их лазерным излучением 1 формируются фотонные струи 4 непосредственно у поверхности кубика на границе ближнепольная маска 3 - диэлектрическая подложка 5. Структурирование происходит под центрами кубиков 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 фокусирующего устройства в форме кубика 2 начинается с размера грани 0.5 длины волны используемого излучения. В то время как у сферы при таком диаметре на одной поляризации локализация поля еще не выражена. При этом максимальная интенсивность поля на оси у кубика выше, чем у сферы в 1.4 раза, фиг. 3. Для характерных размеров кубика и сферы менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
В результате проведенных исследований было установлено, что при коэффициенте преломления материя кубика менее 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 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, позволяет получить лучшее разрешение при изготовлении упорядоченных наноструктур на поверхности диэлектрической подложки и увеличить плотность записи структур не менее чем в два раза за счет меньших габаритов фокусирующих устройств.