СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СУБДИФРАКЦИОННОЙ КВАЗИРЕГУЛЯРНОЙ ОДНО-И ДВУМЕРНОЙ НАНОТЕКСТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF FORMING SUBDIFFRACTIVE QUASIREGULAR SINGLE- AND TWO-DIMENSIONAL NANOTEXTURE OF MATERIAL SURFACE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области формирования субдифракционной квазирегулярной одно- и двумерной нанотекстуры (иначе - наноструктуры) поверхности различных материалов для устройств нанофотоники, плазмоники, трибологии или для создания несмачиваемых покрытий.
Известны способы направленного создания квазирегулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов с помощью оптической и электронной литографии, непосредственного распыления ионным или электронным пучком [1]. Общими недостатками данных способов являются необходимость вакуумирования наноструктурируемых образцов, довольно низкая скорость и высокая стоимость фабрикации, в случае литографии - необходимость использования резиста и его последующей химической обработки.
В то же время, существует также способ непосредственного субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей самых различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - множественными ультракороткими (фемто- и пикосекундными) импульсами электромагнитного поля УФ, оптического и ИК диапазона (УКИ), который не имеет указанных выше недостатков (прототип) [2, 3]. Суть данного способа формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов заключается в облучении поверхности материалов множественными фокусированными УКИ с произвольной длительностью в диапазоне 30-5000 фс (в большинстве случаев - 30-200 фс), с произвольной центральной длиной волны (определяющейся, как правило, фундаментальной длиной волны коммерческих фемтосекундных и пикосекундных лазерных систем, а также доступностью их высших - как правило, второй и третьей - гармоник) и достаточно произвольной плотностью энергии лазерного излучения на поверхности, лежащей в диапазоне между порогами неоднородной (локальной) и однородной (повсеместной) откольной абляции материалов при указанных условиях облучения. Нанотекстурирование поверхности при этом происходит в результате интерференции падающего на поверхность импульсного лазерного излучения и/или наведенных им на поверхности поверхностных электромагнитных волн (поверхностных плазмон-поляритонов, ПЭВ). В максимумах интерференции УКИ-ПЭВ локально происходит более интенсивное поглощение энергии электромагнитного излучения с дополнительным возбуждением электронной подсистемы материала, термализация энергии электронной подсистемы с переносом части энергии в фононную подсистему, а затем плавление и абляционное удаление материала с формированием периодического нанорельефа поверхности.
Соответствующее устройство для субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей (Фиг.1) включает в себя интенсивный источник импульсов электромагнитного поля УФ, видимого и/или ИК диапазона фемто- или пикосекундной длительности с возможностью регулирования длительности импульсов (1), систему контроля параметров излучения (2), системы транспортировки (3) и фокусировки излучения (4), а также систему позиционирования (сканирования) (5) мишени (6), которая может располагаться в вакуумной камере, в ячейке с жидкостью или непосредственно в атмосфере воздуха.
Основным недостатком данного способа формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов под действием УКИ и используемого для его реализации устройства является относительно низкое пространственное разрешение (низкая периодичность Λ) одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры - в лучшем случае, на уровне Λ≈100-200 нм [2, 3]. Данный недостаток устраняется с помощью предложенного изобретения, включающего новый способ формирования субдифракционной регулярной одно- и двумерной нанотекстуры поверхности различных материалов и реализующего его устройства.
Задача, решаемая изобретением, заключается в устранении недостатка прототипа, то есть в многократном повышении пространственного разрешения способа субдифракционного одно- и двумерного нанотекстурирования поверхностей различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - под действием множественных УКИ, с повышением периодичности одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры до Λ≈20-100 нм.
21
-3
21
-3
Для решения поставленной задачи предложено выбрать особые параметры УКИ фемто- или пикосекундной длительности - его длительность, центральную длину волны, ширину и спектральный чирп (временная последовательность спектральных компонент в течение УКИ) спектра, плотность энергии. Выбор центральной длины волны, ширины спектра и/или длительности УКИ позволяет направленно подстроить спектр этого возбуждающего фемто- или пикосекундного излучения в именно резонанс поверхностного плазмона (ПП) для металла или полупроводника/диэлектрика, электронно-возбужденного в результате воздействия указанного выше излучения, а не просто в произвольную точку ветви поверхностных плазмон-поляритонов на дисперсионных зависимостях энергии ПЭВ hω от их действительного волнового числа k, обратно пропорционального длине волны ПЭВ, например, для фотовозбужденого кремния с плотностями электрон-дырочной плазмы 1×10 см (пунктирная кривая) и 3×10 см (сплошная кривая) (Фиг.2). Аналогично, сам ПП-резонанс (область двойного плато, показанного стрелками на Фиг.2), для металла или электронно-возбужденного полупроводника/диэлектрика может быть направленно динамически подстроен под спектр УКИ путем изменения оптических постоянных материала при воздействии излучения того же самого УКИ, в зависимости от его плотности энергии. Поскольку оптические постоянные материала вследствие фотовозбуждения меняются, меняется и спектральное положение ПП-резонанса, поэтому использование просто широкополосного УКИ или, что более оптимально, специально чирпированного широкополосного УКИ с временной последовательностью спектральных компонент, близко повторяющих спектральную динамику положения ПП-резонанса в течение времени воздействия УКИ, позволит поддерживать его резонансное возбуждение на поверхности материала. Длина волны резонансно возбуждаемого ПП может составлять Λ~1 нм и лимитируется затуханием электромагнитного излучения в металле или фотовозбуженном полупроводнике/диэлектрике, которое может быть снижено при использовании УКИ с длительностью порядка 10 фемтосекунд и менее, поскольку длительность воздействия УКИ, возбуждающего ПП, будет меньше характерного времени релаксации момента носителей заряда, резко уменьшая затухание ПП. Для уменьшения длины ПП поверхность материала может быть дополнительно покрыта слоем диэлектрической среды, частично прозрачной для излучения УКИ. Более того, при возбуждении ПП-резонанса падающий на поверхность УКИ наиболее эффективно преобразуется в ПЭВ (а именно - в поверхностный плазмон) с многократно большей амплитудой поля. Таким образом, возбуждение ПП-резонанса позволяет многократно (в десятки раз) уменьшить длину волны возбуждаемых ПЭВ и многократно (на несколько порядков величины) увеличить их амплитуду электромагнитного поля.
В результате воздействия на поверхность материала УКИ с выбранной центральной длиной волны (соответствующей длине волны резонанса ПП), шириной и чирпом его спектра, а также длительностью УКИ и плотностью энергии, на поверхности происходит эффективное возбуждение волн ПП, распространяющихся в обе (противоположные) стороны в направлении поляризации УКИ и интерферирующих как с полем УКИ, так и между собой (в этом случае, с уменьшением периода вдвое). Если при этом спектр УКИ динамически перекрывает резонанс ПП, процесс резонансного возбуждения ПП продолжается и эффективность возбуждения ПП-волн многократно возрастает. Доминирующий процесс интерференции - УКИ с ПП или встречных ПП между собой - определяется амплитудой полей УКИ и ПП (последняя резко возрастает в области резонанса ПП), так чтобы в максимумах динамической картины интерференции плотность энергии электромагнитного излучения превысила характерный порог откольной абляции (удаления) материала. В результате, в максимумах интерференции УКИ-ПП или ПП-ПП локально происходит более интенсивное поглощение энергии электромагнитного излучения с дополнительным возбуждением электронной подсистемы материала, термализация энергии электронной подсистемы с переносом части энергии в фононную подсистему, плавление и абляция материала с формированием периодического нанорельефа поверхности. Двумерная квазипериодическая наноструктура поверхностного рельефа при этом получается при последовательном облучении участка поверхности двумя сериями УКИ с перпендикулярными поляризациями. В результате использования предложенного способа периодичность формируемой одно- и двумерной поверхностной нанотекстуры может быть повышена до 20-100 нм: например, для погруженной в воду поверхности кремния (Фиг.3а, масштабная метка - 100 нм) в условиях генерации в в этом слое воды широкополосного поляризованного излучения суперконтинуума фемтосекундной длительности (спектр приведен сверху на Фиг.5) период структуры составляет Λ≈90 нм, тогда как без его генерации для УКИ ИК диапазона, чей спектр приведен внизу на Фиг.5, период поверхностной структуры кремния, указанной на Фиг.3б (масштабная метка - 1 мкм) стрелкой, приближается к Λ≈0.5 мкм.
Предложенный способ субдифракционного одно- и двумерного наноструктурирования поверхностей различных материалов - металлов, полупроводников, диэлектриков - под действием множественных УКИ с резонансным возбуждением поверхностного плазмона реализуется с помощью нового устройства, предлагаемого в четырех вариантах (Фиг.4). В первом варианте, новизна по сравнению с устройством прототипа предполагает выбор в качестве интенсивного источника поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности (Фиг.1, элемент 1) интенсивного источника широкополосного поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности (элемент 1' на Фиг.4а, остальные элементы те же, что и на Фиг.1). Второй вариант устройства (Фиг.4б) предполагает, по сравнению с прототипом (Фиг.1), введение до системы фокусировки дополнительного элемента (3') - высокоэффективного преобразователя поляризованного излучения УКИ в широкополосное поляризованное электромагнитное излучение суперконтинуума фемто- или пикосекундной длительности на базе оптического параметрического генератора или генератора суперконтинуума (в качестве последнего используется ячейка с прозрачной для УКИ и суперконтинуума жидкостью или перемещаемая толстая диэлектрическая пластина, прозрачная для УКИ и суперконтинуума), и дополняемого системой контроля длины волны, ширины спектра, спектрального чирпа, длительности и энергии суперконтинуума (элемент 3” на Фиг.4б). Эффективностью преобразования в широкополосное поляризованное электромагнитное изучение суперконтинуума при этом достигает, например, 70% в воде для ГВт-ных сверхкритических пиковых мощностей УКИ с длиной волны 744 нм (Фиг.5, верхний спектр, данный в сравнении с нижним спектром для прошедшего воду излучения УКИ с пиковой мощностью менее 400 МВт, практически соответствующего показанному стрелкой исходному спектру самого УКИ). В третьем варианте, единственное отличие от прототипа на Фиг.1 выражается в том, что широкополосное поляризованное электромагнитное излучение суперконтинуума фемто- или пикосекундной длительности генерируется фокусированным излучением УКИ непосредственно в кювете с мишенью (6'), погруженной в жидкость, прозрачную для излучения УКИ и излучения суперконтинуума (Фиг.4в). Наконец, в четвертый вариант отличается от прототипа на Фиг.1 или первого варианта на Фиг.4а наличием на поверхности мишени (6”) слоя жидкости, прозрачной для излучения УКИ или широкополосного поляризованного электромагнитного излучения фемто- или пикосекундной длительности, которая необходима для уменьшения периода нанотекстуры примерно пропорционально показателю преломления этой жидкости.
21
-3
21
-3
21
-3
Решение поставленной задачи демонстрируется следующими примерами. Пластина кремния с полированной поверхностью оптического качества погружается в ячейку с водой на глубину 3-4 мм, куда на поверхность пластины фокусируется излучение УКИ титан-сапфирового лазера с центральной длиной волны 744 нм (энергия фотона 1.7 эВ), длительностью 100-110 фс (соответствующая ширина нечирпированного спектра на полувысоте - 12 нм), и пиковой мощностью 1-10 ГВт, многократно превышающей критическую мощность самофокусировки излучения видимого диапазона в воде (≈1-2 МВт [4]). Вблизи фокуса развивается самофокусировка УКИ и формирование перед пластиной нити нелинейного фокуса, выражающегося, ввиду сверхкритической пиковой мощности УКИ, в множественной филаментации лазерного луча. Каждый из филаментов вследствие, в частности, фазовой самомодуляции УКИ [4] является источником интенсивного широкополосного (белого) поляризованного электромагнитного излучения фемтосекундной длительности (суперконтинуума, верхний спектр на Фиг.5), излучение которых складывается на поверхности пластины. Комбинированное излучение УКИ и суперконтинуума обеспечивает фотовозбуждение материала, вызывая мгновенное изменение его оптических постоянных в области возбуждения на поверхности (оптическая неоднородность [5]) и эффективную дифракцию этого излучения с возбуждением поверхностных плазмон-поляритонных электромагнитных волн (ПЭВ). В зависимости от уровня фотовозбуждения поверхности кремния и энергии возбуждающих фотонов hco, возбуждаемые ПЭВ могут иметь фотонный (поляритонный) характер и характеризоваться длиной волны света в воде (см. начальный линейный участок дисперсионных кривых на Фиг.2), или плазмонный характер (см. показанные стрелками области двойного плато резонанса поверхностного плазмона (ПП) на дисперсионных кривых на Фиг.2) с многократно меньшей длиной волны и многократно более высокой амплитудой электромагнитного поля. Если спектр комбинированного излучения покрывает и ту, и другую область, будут возбуждаться оба типа ПЭВ, причем широкополосным спектром суперконтинуума будет покрываться даже существенный сдвиг ПП-резонанса в течение времени воздействия УКИ (см., например, сдвиг ПП-резонанса на Фиг.2 при увеличении плотности электрон-дырочной плазмы от 1×10 см до 3×10 см), поддерживая эффективное возбуждение поверхностных плазмонов с многократно большей амплитудой. При нормальном падении возбуждаются интенсивные встречные ПП, которые интерферируют с образованием поверхностной интерференционной картины с вдвое меньшим периодом. Если амплитуда поля УКИ оказывается все же выше, то интерференционная картина определяется сложением полей ПП и УКИ с периодом ПП. В нашем конкретном случае, на поверхности влажного кремния период одномерного нанорельефа типа дифракционной решетки (≈0.1 мкм, Фиг.3а) оказывается в два раза меньше расчетного периода ПП для плотности плазмы 3×10 см (Фиг.2) благодаря генерации интенсивного широкополосного излучения суперконтинуума и последующему возбуждению интенсивных интерферирующих встречных ПП, тогда как на влажной поверхности при нерезонансном возбуждении ПЭВ (вне ПП-резонанса) фотонами с энергией 1.7 эВ минимальный период нанотекстуры ≈0.5 мкм, показанной стрелкой на Фиг.3б, приближается к периоду поляритонных ПЭВ на влажной поверхности (Фиг.2) благодаря доминирующей интерференции «ИК УКИ/ИК ПЭВ».
Литература
[1] N.C.Lindquist, P.Nagpal, K.M.McPeak, D.J.Norris, S.-H. Oh, Engineering metallic nanostructures for plasmonics and nanophotonics, Rep.Prog. Phys. 75, 036501 (2012).
[2] E.B.Голосов, В.И.Емельянов, А.А.Ионин, Ю.Р.Колобов, С.И.Кудряшов, А.Е.Лигачев, Ю.Н.Новоселов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана, Письма в ЖЭТФ 90, 116-120 (2009).
[3] Е.В.Голосов, А.А.Ионин, Ю.Р.Колобов, С.И.Кудряшов, А.Е.Лигачев, Ю.Н.Новоселов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Сверхбыстрая оптика поверхности титана и фемтосекундная лазерная запись одномерных нанорешеток ее рельефа, ЖЭТФ 140, 1(7), 21-35 (2011).
[4] V.P.Kandidov, O.G.Kosareva, I.S.Golubtsov, W.Liu, A.Becker, N.Akozbek, C.M.Bowden, S.L.Chin, Self-transformation of a powerful femtosecond laser pulse into a white light pulse in bulk optical media (or supercontinuum generation), Appl. Phys. B.77, 149-165 (2003).
[5] A.A.Ионин, В.И.Емельянов, С.И.Кудряшов, Л.В.Селезнев, Д.В.Синицын. Нелинейный режим возбуждения поверхностной электромагнитной волны на поверхности кремния интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом, Письма в ЖЭТФ 97, 139-144 (2013).