DE102016007736B4 - Method for local modification of a substrate - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur lokalen Modifikation eines Substrats (10), umfassend die Schritte:- Bereitstellen einer Laseranordnung zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls einer ersten Wellenlänge, eines zweiten Laserstrahls einer zweiten Wellenlänge und eines dritten Laserstrahls einer von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschiedenen, dritten Wellenlänge,wobei jeder Laserstrahl in einem gemeinsamen Schreibbereich (16) eine Fluenz oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes aufweist,- Bereitstellen einer das Substrat (10) umfassenden Substratanordnung (100, 110), die Wirkmoleküle (12) in dem Substrat (10) oder in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Substrat (10) aufweist, welche im Schreibbereich (16) positioniert werden und folgende Eigenschaften haben:• die Wirkmoleküle (12) sind durch Absorption von Licht der ersten Wellenlänge von einem elektronischen Grundzustand (Z) photonisch in einen ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) anregbar,• die Wirkmoleküle (12) sind durch Absorption von Licht der zweiten Wellenlänge von ihrem ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) photonisch in einen energetisch höheren, also in einen zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) anregbar, wobei von dem zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) ein spontaner, strahlungsloser Abregungspfad existiert, dessen Effizienz größer ist als diejenige jedes entsprechenden photonischen Abregungspfades,• die Wirkmoleküle (12) sind durch Absorption von Licht der dritten Wellenlänge von ihrem ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) unter stimulierter Emission in ihren elektronischen Grundzustand (Z) abregbar,- Erzeugen des ersten, des zweiten und des dritten Laserstrahls, wobei das Profil des dritten Laserstrahls einen Teilbereich verschwindender Intensität aufweist und wobei die zeitliche Koordination der Laserstrahlen derart erfolgt, dass Wirkmoleküle (12) im Schreibbereich (16)• durch Absorption von Licht des ersten Laserstrahls photonisch in ihren ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) angeregt werden,• außerhalb des Teilbereichs verschwindender Intensität des dritten Laserstrahls unter stimulierter Emission wieder in ihren elektronischen Grundzustand (Z) abgeregt werden und• innerhalb des Teilbereichs verschwindender Intensität des dritten Laserstrahls photonisch in ihren zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand (Z) angeregt und unter Abgabe das Substrat (10) lokal modifizierender, thermischer Energie strahlungslos abgeregt werden.Method for locally modifying a substrate (10), comprising the steps: - providing a laser arrangement for generating a first laser beam of a first wavelength, a second laser beam of a second wavelength and a third laser beam of a third wavelength different from the first and the second wavelength, wherein each laser beam has a fluence in a common writing area (16) above a predetermined threshold value, - providing a substrate arrangement (100, 110) comprising the substrate (10), the active molecules (12) in the substrate (10) or in the immediate vicinity the substrate (10), which are positioned in the writing area (16) and have the following properties: • the active molecules (12) are photonically transformed into a first energetically increased electronic state by absorbing light of the first wavelength from an electronic ground state (Z) ( Z) can be stimulated, • the active molecules (12) are absorbed rption of light of the second wavelength from its first energetically increased electronic state (Z) can be excited photonically into an energetically higher, that is to say into a second energetically increased electronic state (Z), with a spontaneous, radiationless of the second energetically increased electronic state (Z) Excitation path exists, the efficiency of which is greater than that of any corresponding photonic excitation path, the active molecules (12) can be de-excited from their first energetically increased electronic state (Z) with stimulated emission to their electronic ground state (Z) by absorption of light of the third wavelength, - Generating the first, the second and the third laser beam, the profile of the third laser beam having a sub-area of vanishing intensity and the temporal coordination of the laser beams taking place in such a way that active molecules (12) in the writing area (16) • by absorption of light from the first Laser beam ph are excited otonically into their first energetically increased electronic state (Z), • are stimulated back into their electronic ground state (Z) outside the sub-region of vanishing intensity of the third laser beam under stimulated emission and • within the sub-region of vanishing intensity of the third laser beam photonically into their second energetically increased electronic state (Z) is stimulated and the substrate (10) locally modifying, thermal energy is excited without radiation.
Description
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur lokalen Modifikation eines Substrats, insbesondere zur Einbringung von Feinstrukturen in das Substrat, insbesondere zum Einbringen nanoskaliger Feinstrukturen, d.h. Feinstrukturen mit Strukturgrößen im Größenordnungsbereich von wenigen nm bis wenigen 10 nm. Derartige Feinstrukturen sind insbesondere im Bereich der Datenspeicherung von Relevanz.The invention relates to a method for locally modifying a substrate, in particular for introducing fine structures into the substrate, in particular for introducing nanoscale fine structures, i.e. Fine structures with structure sizes in the order of magnitude of a few nm to a few 10 nm. Such fine structures are particularly relevant in the area of data storage.
Stand der TechnikState of the art
Aus der
Somit erfolgt die Modifikation des Substrates lediglich im Überlappungsbereich von erstem Laserstrahl und dem Gebiet verschwindender Intensität des zweiten Laserstrahls. Auf diese Weise gelingt die Erzeugung sogenannter Subdiffraktions-Strukturen, d.h. Strukturen mit Strukturgrößen unterhalb der Abbe'schen Beugungsgrenze.The substrate is thus only modified in the overlap area of the first laser beam and the area of the vanishing intensity of the second laser beam. In this way, so-called subdiffraction structures can be created, i.e. Structures with structure sizes below the Abbe diffraction limit.
Nachteilig bei dem bekannten Verfahren sind die sehr speziellen Anforderungen an das Substrat, welches im Wesentlichen aus schaltbaren Photochromen bestehen muss, die in ihrer ersten Konfiguration photonisch anregbar und in einen dauerhaft modifizierten Zustand überführbar sind und die in ihrer zweiten Konfiguration eine derartige photonische Anregung - zumindest mit derselben Wellenlänge - nicht zulassen. Dies schränkt die Materialwahl möglicher Substrate, die für praktische Anwendungen auch einer Vielzahl weiterer Nebenbedingungen unterworfen sind, stark ein.A disadvantage of the known method is the very special requirements placed on the substrate, which must essentially consist of switchable photochromes, which can be photonically excited in their first configuration and converted to a permanently modified state, and which - in their second configuration - have such a photonic excitation - at least with the same wavelength - do not allow. This severely limits the choice of materials for possible substrates, which are also subject to a large number of additional conditions for practical applications.
Aus der
Aus
Aus
Aus der
Die Idee, eine Spur aus Silber-Nanopartikeln zu legen und diese zur Initialisierung einer lokal beschränkten Polymerisierung mittels eines Lasers plasmonisch anzuregen, wird auch in Stamplecoskie,
Aus der
Die
AufgabenstellungTask
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren zur Feinstrukturierung eines Substrats zur Verfügung zu stellen, bei dem die Anforderungen an die molekularen Eigenschaften des Substrates reduziert werden und daher die Bandbreite der dem Verfahren zugänglichen Substrate erweitert wird.It is the object of the present invention to provide an alternative method for the fine structuring of a substrate, in which the requirements for the molecular properties of the substrate are reduced and therefore the range of substrates accessible to the method is expanded.
Darlegung der ErfindungStatement of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1, d.h. durch ein Verfahren zur lokalen Modifikation eines Substrats, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen einer Laseranordnung zur Erzeugung eines ersten Laserstrahls einer ersten Wellenlänge, eines zweiten Laserstrahls einer zweiten Wellenlänge und eines dritten Laserstrahls einer von der ersten und der zweiten Wellenlänge verschiedenen, dritten Wellenlänge, wobei jeder Laserstrahl in einem gemeinsamen Schreibbereich eine Fluenz oberhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes aufweist,
- - Bereitstellen einer das Substrat umfassenden Substratanordnung, die Wirkmoleküle in dem Substrat oder in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Substrat aufweist, welche im Schreibbereich positioniert werden und folgende Eigenschaften haben:
- • die Wirkmoleküle sind durch Absorption von Licht der ersten Wellenlänge von einem elektronischen Grundzustand photonisch in einen ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand anregbar,
- • die Wirkmoleküle sind durch Absorption von Licht der zweiten Wellenlänge von ihrem ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand photonisch in einen energetisch höheren, zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand anregbar, wobei von dem zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand ein spontaner, strahlungsloser Abregungspfad existiert, dessen Effizienz größer ist als diejenige jedes entsprechenden photonischen Abregungspfades,
- • die Wirkmoleküle sind durch Absorption von Licht der dritten Wellenlänge von ihrem ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand unter stimulierter Emission in ihren elektronischen Grundzustand abregbar,
- - Erzeugen des ersten, des zweiten und des dritten Laserstrahls, wobei das Profil des dritten Laserstrahls einen Teilbereich verschwindender Intensität aufweist und wobei die zeitliche Koordination der Laserstrahlen derart erfolgt, dass Wirkmoleküle im Schreibbereich
- • durch Absorption von Licht des ersten Laserstrahls photonisch in ihren ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand angeregt werden,
- • außerhalb des Teilbereichs verschwindender Intensität des dritten Laserstrahls unter stimulierter Emission wieder in ihren elektronischen Grundzustand abgeregt werden und
- • innerhalb des Teilbereichs verschwindender Intensität des dritten Laserstrahls photonisch in ihren zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand angeregt und unter Abgabe das Substrat lokal modifizierender, thermischer Energie strahlungslos abgeregt werden.
- - Providing a laser arrangement for generating a first laser beam of a first wavelength, a second laser beam of a second wavelength and a third laser beam of a third wavelength different from the first and the second wavelength, each laser beam having a fluence in a common writing range above a predetermined threshold value ,
- Providing a substrate arrangement comprising the substrate, which has active molecules in the substrate or in the immediate vicinity of the substrate, which are positioned in the writing area and have the following properties:
- The active molecules can be excited photonically from an electronic ground state into a first energetically increased electronic state by absorption of light of the first wavelength,
- • The active molecules can be excited photonically by absorption of light of the second wavelength from their first energetically increased electronic state into an energetically higher, second energetically increased electronic state, with the second energetically increased electronic state a spontaneous, radiationless de-excitation path exists, the efficiency of which is greater than that of any corresponding photonic de-excitation path,
- The active molecules can be de-excited from their first energetically increased electronic state with stimulated emission into their electronic ground state by absorption of light of the third wavelength,
- - Generation of the first, the second and the third laser beam, the profile of the third laser beam having a partial area of vanishing intensity and the time coordination of the laser beams taking place in such a way that active molecules in the writing area
- Are photonically excited into their first energetically increased electronic state by absorption of light from the first laser beam,
- Outside the sub-region of vanishing intensity of the third laser beam are stimulated back into their electronic ground state under stimulated emission and
- • within the sub-region of vanishing intensity of the third laser beam, are excited photonically into their second energetically increased electronic state and are released without radiation, giving off locally modifying, thermal energy.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Anders als bei den bekannten Verfahren erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren die Modifikation von Substratmolekülen nicht auf dem Weg der photonischen Anregung der Substratmoleküle selbst, sondern durch photonische Anregung von hier als Wirkmoleküle bezeichneten Hilfsmolekülen, die einen hocheffizienten strahlungslosen Abregungspfad (z.B. durch inter- und/oder intramolekulare Vibrationen, Rotationen, Kollisionen etc.) aus ihrem angeregten Zustand aufweisen, sodass es bei der strahlungslosen Abregung in der engsten Umgebung des Wirkmoleküls zu einer starken, lokalen Temperaturerhöhung kommt, die ihrerseits die gewünschte Modifikation des Substratmoleküls erzeugt. Diese Modifikation kann eine thermisch induzierte Ablation, eine thermisch induzierte Polymerisation oder eine andere mittelbar oder unmittelbar thermisch induzierte Reaktion sein.In contrast to the known methods, in the method according to the invention the modification of substrate molecules does not take place on the way of the photonic excitation of the substrate molecules themselves, but rather by photonic excitation of auxiliary molecules, referred to here as active molecules, which have a highly efficient radiation-free excitation path (e.g. by inter- and / or intramolecular) Vibrations, rotations, collisions, etc.) from their excited state, so that the radiation-free de-excitation in the immediate vicinity of the active molecule leads to a strong, local temperature increase, which in turn produces the desired modification of the substrate molecule. This modification can be a thermally induced ablation, a thermally induced polymerization or another indirectly or directly thermally induced reaction.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht zunächst in einer zweistufigen Anregung der Wirkmoleküle im Schreibbereich.The basic principle of the invention consists initially in a two-stage excitation of the active molecules in the writing area.
Der Schreibbereich kann durch einen gemeinsamen Fokalbereich der eingesetzten Laserstrahlen vorgegeben sein. Es ist jedoch auch möglich, z.B. durch Interferenztechniken, einen für die eingesetzten Laserstrahlen gemeinsamen Bereich erhöhter Fluenz zu schaffen, innerhalb dessen (und außerhalb dessen gerade nicht) die auftretenden Fluenzen hinreichend hoch sind, um die hier erläuterten Reaktionen auszulösen. In diesem breiten Sinn ist der Begriff „Schreibbereich“ zu verstehen.The writing area can be predetermined by a common focal area of the laser beams used. However, it is also possible, e.g. by means of interference techniques to create a region of increased fluence common to the laser beams used, within which (and outside of which precisely not) the occurring fluences are sufficiently high to trigger the reactions explained here. The term "writing area" is to be understood in this broad sense.
Mittels des ersten Laserstrahls, d.h. mittels Licht der ersten Wellenlänge, erfolgt im Schreibbereich eine photonische Anregung eines Wirkmoleküls von einem elektronischen Grundzustand Z0 in einen ersten angeregten, d.h. energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z1. Von hier aus erfolgt mittels eines zweiten Laserstrahls, d.h. mittels Licht einer zweiten Wellenlänge, eine weitere Anregung in einen höheren, zweiten elektronischen Zustand Z2.By means of the first laser beam, ie by means of light of the first wavelength, a photonic excitation of an active molecule takes place in the writing area from an electronic ground state Z 0 to a first excited, ie energetically increased electronic state Z 1 . From here, further excitation into a higher, second electronic state Z 2 takes place by means of a second laser beam, ie by means of light of a second wavelength.
Der elektronische Grundzustand Z0 kann (und wird in der Regel, muss jedoch nicht zwingend) mit dem spektroskopischen Grundzustand S0 des Wirkmoleküls zusammenfallen. Der Begriff „Grundzustand“ ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung im Sinne eines Ausgangszustandes zu verstehen, von dem die erfindungsgemäß ausgelöste Reaktion ausgeht. Analog können die angeregten, d.h. energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z1 und Z2 mit den spektroskopischen Zuständen S1 bzw. Sn, insbesondere S2, zusammenfallen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich und bei vielen Ausführungsformen der Erfindung auch tatsächlich nicht der Fall. Insbesondere können bei den erfindungsgemäß ausgelösten An- und Abregungsprozessen ein oder mehrere spektroskopische Zustände S1 übersprungen werden. Wie weiter unten an einem Beispiel noch näher verdeutlicht werden soll, kann der Begriff „angeregter Zustand“ bzw. „energetisch erhöhter elektronischer Zustand“ auch mehrere spektroskopische Zustände umfassen. Zur Unterscheidung wird, wo erforderlich, das Kürzel S1 für spektroskopische Zustände im engeren Sinn und die Bezeichnung Zn für Zustände im oben erläuterten, weiteren Sinn verwendet. In jedem Fall bezeichnet der Begriff „Zustand“ - da sich die Erfindung im molekularen und nicht im idealisierten, atomaren Bereich abspielt - keinesfalls ein scharfes Energieniveau, sondern einen mehr oder weniger breiten Energiebereich, wie er sich beispielsweise in den Breiten von Emissions- und Absorption-Peaks wiederspiegelt.The electronic ground state Z 0 can (and usually does, but does not necessarily have to) coincide with the spectroscopic ground state S 0 of the active molecule. The term “basic state” is to be understood in the context of the present description in the sense of an initial state from which the reaction triggered according to the invention originates. Analogously, the excited, ie energetically increased, electronic states Z 1 and Z 2 can coincide with the spectroscopic states S 1 and S n , in particular S 2 . However, this is not absolutely necessary and in fact is not the case in many embodiments of the invention. In particular, one or more spectroscopic states S 1 can be skipped in the excitation and de-excitation processes triggered according to the invention. As will be clarified further below using an example, the term “excited state” or “energetically increased electronic state” can also encompass several spectroscopic states. Where necessary, the abbreviation S 1 for spectroscopic states in the narrower sense and the designation Z n for states in the above sense are used to differentiate. In any case, the term “state” - since the invention takes place in the molecular and not in the idealized, atomic range - does not mean a sharp energy level, but rather a more or less wide energy range, such as that in the range of emission and absorption -Peaks reflected.
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass vom zweiten angeregten Zustand Z2 ein hocheffizienter, strahlungsloser Abregungspfad existiert. Das bedeutet, dass die spontane Abregung aus dem angeregten Zustand Z2 überwiegend strahlungslos erfolgt und dabei die gewünschte Modifikation des Substrats thermisch induziert. An essential feature of the invention is that a highly efficient, radiation-free de-excitation path exists from the second excited state Z 2 . This means that the spontaneous de-excitation from the excited state Z 2 takes place predominantly without radiation and thereby thermally induces the desired modification of the substrate.
Dies allein würde jedoch zu einer Feinstrukturierung des Substrats mit beugungsbegrenzten Strukturgrößen führen. Der Schreibbereich als solcher ist nämlich dieser Größenbegrenzung durchaus unterworfen. Zur Überwindung der Abbe'schen Beugungsgrenze greift die Erfindung daher das eingangs im Kontext der Fluoreszenzmikroskopie erwähnte STED-Prinzip zurück. Mittels eines sog. STED-Strahls, d.h. mittels des dritten Laserstrahls, wird eine bereichsweise Entvölkerung des ersten angeregten Zustandes Z1 durch stimulierte Emission bewirkt, sodass in diesen Bereichen der weitergehenden Anregung nach Z2 und damit der strahlungslose Abregung aus Z2 die Grundlage entzogen wird. Lediglich in denjenigen Bereichen, in denen sich das Teilgebiet verschwindender Intensität des STED-Strahls und der erste Laserstrahl überlappen, existieren in Z1 angeregte Wirkmoleküle, die durch den zweiten Laserstrahl in den weiter erhöhten energetischen Zustand Z2 überführt werden können.However, this alone would lead to fine structuring of the substrate with diffraction-limited feature sizes. The writing area as such is in fact subject to this size limitation. To overcome Abbe's diffraction limit, the invention therefore uses the STED principle mentioned at the beginning in the context of fluorescence microscopy. By means of a so-called STED beam, that is to say by means of the third laser beam, depopulation of the first excited state Z 1 is effected in regions by stimulated emission, so that in these regions the basis for further excitation according to Z 2 and thus the radiationless de-excitation from Z 2 is withdrawn becomes. Only in those areas in which the sub-area of vanishing intensity of the STED beam and the first laser beam overlap, there are excited active molecules in Z 1 , which can be converted into the further increased energetic state Z 2 by the second laser beam.
Des leichteren Verständnisses halber soll nachfolgend der erste Laserstrahl, der die Wirkmoleküle vom Grundzustand Z0 in den ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z1 anregt, als „Vorbereitungsstahl“ und die entsprechende Wellenlänge als „Vorbereitungswellenlänge“ bezeichnet werden. Der zur weiteren Anregung der Wirkmoleküle vom ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z1 in den zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z2 verwendete Laserstrahl soll nachfolgend als „Anregungsstrahl“ und die entsprechende Wellenlänge als „Anregungswellenlänge“ bezeichnet werden. Der zur Auslösung der stimulierten Emission der in Z1 angeregten Wirkmoleküle genutzte Strahl soll nachfolgend als „STED-Strahl“ und die entsprechende Wellenlänge als „STED-Wellenlänge“ bezeichnet werden.For the sake of easier understanding, the first laser beam, which excites the active molecules from the basic state Z 0 into the first energetically increased electronic state Z 1 , is referred to below as the “preparation steel” and the corresponding wavelength as the “preparation wavelength”. The laser beam used to further excite the active molecules from the first energetically increased electronic state Z 1 into the second energetically increased electronic state Z 2 will be referred to below as the “excitation beam” and the corresponding wavelength as the “excitation wavelength”. The beam used to trigger the stimulated emission of the active molecules excited in Z 1 will be referred to below as the “STED beam” and the corresponding wavelength as the “STED wavelength”.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die photonische Anregung und strahlungslose Abregung des zweiten energetisch erhöhten Zustandes zyklisch. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der hocheffiziente, strahlungslose Abregungspfad vom zweiten energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z2 zum ersten energetisch erhöhten elektronischen Zustand Z1 führt. Dann nämlich können die aus Z2 nach Z1 zurückkehrenden Moleküle vom Anregungsstrahl unverzüglich erneut nach Z2 angeregt werden. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung anderer Materialien, bei denen der hocheffiziente, strahlungslose Abregungspfad beispielsweise unmittelbar nach Z0 führt. Die dabei an das Substrat abgegebene thermische Energie ist bei einzelmolekularer Betrachtung zwar höher; insgesamt kann der Prozess aufgrund des Fehlens der zyklischen An- und Abregung zwischen Z1 und Z2 jedoch weniger effizient ausfallen.In a preferred embodiment of the invention, the photonic excitation and radiationless de-excitation of the second energetically elevated state takes place cyclically. This is particularly the case when the highly efficient, radiationless de-excitation path leads from the second energetically increased electronic state Z 2 to the first energetically increased electronic state Z 1 . Then the molecules returning from Z 2 to Z 1 can be immediately excited again to Z 2 by the excitation beam. However, it is also conceivable to use other materials in which the highly efficient, radiationless de-excitation path leads, for example, directly to Z 0 . The thermal energy given off to the substrate is higher when viewed in terms of single molecules; overall, however, the process can be less efficient due to the lack of cyclical excitation and de-excitation between Z 1 and Z 2 .
Die obige Nennung dreier Laserstrahlen und dreier Wellenlängen soll dem leichteren Verständnis der Erfindung dienen und ist rein funktional zu verstehen. In der Praxis ist es hingegen durchaus möglich, dass die erste und die zweite Wellenlänge, d.h. die Vorbereitungswellenlänge und die Anregungswellenlänge, identisch sind. Insbesondere ist es möglich, dass der erste und der zweite Laserstrahl, d.h. der Vorbereitungsstrahl und der Anregungsstrahl, identisch sind, insbesondere als ein und derselbe Strahl mit gleicher Wellenlänge, Intensität, Strahlprofil, Pulsdauer und -zeitpunkt und Strahlengang aus derselben Laserquelle stammen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn die Wirkmoleküle Ihren Zustand Z2 etwa im gleichen energetischen Abstand von Z1 haben, in dem Z1 über Z0 liegt. Dann nämlich kann Licht derselben Wellenlänge sowohl zur Anregung von Z0 nach Z1 als auch von Z1 nach Z2 dienen.The above mention of three laser beams and three wavelengths is intended to facilitate understanding of the invention and is to be understood purely functionally. In practice, however, it is entirely possible that the first and the second wavelength, ie the preparation wavelength and the excitation wavelength, are identical. In particular, it is possible that the first and the second laser beam, ie the preparation beam and the excitation beam, are identical, in particular as one and the same beam with the same wavelength, intensity, beam profile, pulse duration and time and beam path come from the same laser source. This is possible in particular if the active molecules have their state Z 2 at approximately the same energetic distance from Z 1 in which Z 1 lies above Z 0 . Then light of the same wavelength can be used to excite both Z 0 to Z 1 and Z 1 to Z 2 .
Aufgrund der oben erläuterten, natürlichen Breite jedes energetischen Zustandes sollte bevorzugt die dritte Wellenlänge, d.h. die STED-Wellenlänge länger sein als die erste Wellenlänge, d.h. die Vorbereitungswellenlänge. Die Anregung von Z0 nach Z1 im Rahmen der Vorbereitung erfolgt typischerweise von einem tieferliegenden vibronischen Sub-Niveau von Z0 zu einem höherliegenden vibronischen Sub-Niveau von Z1. Dort erfolgt quasi instantan eine vibronische Relaxation innerhalb der vibronischen Sub-Niveaus. Die mit der STED-Wellenlänge anzuregende stimulierte Emission hat jedoch von diesem niedrigeren Sub-Niveau von Z1 zu einem innerhalb Z0 höhergelegenen vibronischen Sub-Niveau zu führen. Dem wird mit der erläuterten Rotverschiebung des STED-Strahls im Vergleich zum Vorbereitungs-Strahl Rechnung getragen.Because of the natural width of each energetic state explained above, the third wavelength, ie the STED wavelength, should preferably be longer than the first wavelength, ie the preparation wavelength. The excitation from Z 0 to Z 1 during the preparation typically takes place from a lower vibronic sub-level of Z 0 to a higher vibronic sub-level of Z 1 . There is a quasi-instantaneous vibronic relaxation within the vibronic sub-levels. However, the stimulated emission to be excited with the STED wavelength has to lead from this lower sub-level of Z 1 to a vibronic sub-level which is higher within Z 0 . This is taken into account with the explained red shift of the STED beam compared to the preparation beam.
Bevorzugt ist der Teilbereich verschwindender Intensität ein im Zentrum des Profils des dritten Laserstrahls, d.h. des STED-Strahls liegendes, abgeschlossenes Gebiet. Mit anderen Worten wird bevorzugt ein STED-Strahl mit dem typischen „Donut“-Profil verwendet. Bei einer alternativen Ausführungsform ist hingegen der Teilbereich verschwindender Intensität ein das Profil des dritten Laserstrahls, d.h. des STED-Strahls, zentral teilendes, linienartiges Gebiet. Diese Beschreibungen sind rein zweidimensional auf das Strahlprofil im Sinne der Intensitätsverteilung im Strahl-Querschnitt zu verstehen. Die Ausdehnung des Teilgebietes verschwindender Intensität in Strahlausbreitungsrichtung kann zusätzlich variiert werden. Insgesamt hat das Gebiet natürlich eine dreidimensionale Ausdehnung. Die konkrete Wahl der Teilgebietsform hängt von der Form der gewünschten Substratmodifikation ab und kann vom Fachmann weitgehend frei gewählt werden. Die Techniken zur Erzeugung unterschiedlicher STED-Profile, die typischerweise den Einsatz von Phasenmasken im Laserstrahl einbeziehen, sind dem Fachmann geläufig.The sub-region of vanishing intensity is preferably a closed region lying in the center of the profile of the third laser beam, ie the STED beam. In other words, an STED beam with the typical “donut” profile is preferably used. In an alternative embodiment, however, the sub-region of vanishing intensity is a line-like region that divides the profile of the third laser beam, ie the STED beam, centrally. These descriptions are to be understood purely two-dimensionally on the beam profile in the sense of the intensity distribution in the beam cross section. The extension of the sub-area vanishing intensity in the direction of beam propagation can also be varied. All in all, of course, the area has a three-dimensional extent. The specific choice of the sub-area form depends on the form of the desired substrate modification and can largely be chosen freely by the person skilled in the art. The person skilled in the art is familiar with the techniques for producing different STED profiles, which typically involve the use of phase masks in the laser beam.
Der zweite Laserstrahl ist bevorzugt ein Kurzpuls-Laserstrahl. Der erste und vor allem der dritte Laserstrahl, die zwar ebenfalls gepulste, bevorzugt Kurzpuls-Laserstrahlen sein können, können auch als Dauerstrichstrahlen ausgebildet sein. Die gepulste Natur des zweiten Laserstrahls, d.h. des Anregungsstrahls, ist für die vorliegende Erfindung jedoch von ganz besonderem Vorteil. Beim Vorbereitungsstrahl und beim STED-Strahl ist das Timinig weitgehend unkritisch, da sich beide Strahlen in ihrem Überlappungsbereich in ihrer Wirkung im Wesentlichen gegenseitig aufheben. Lediglich im Teilgebiet verschwindender Intensität werden die zur weiteren Anregung vorgesehenen Wirkmoleküle im Z1-Zustand zur Verfügung gestellt. Ein „Sammeln“ und gemeinsames Anregen mittels eines kurzen Pulses führt bei der nachfolgenden, strahlungslosen Abregung zu einer sehr kurzzeitigen, jedoch intensiven, extrem lokalisierten Temperaturerhöhung, die aufgrund der instantanen Wärmedissipation in das umgebende Substrat sehr schnell abgebaut wird - allerdings unter thermischer Modifikation der benachbarten Substrat-Moleküle. Ein ohne den Einsatz eines Kurzpulslasers als Anregungslaser verlängerter Prozess könnte zu einer Wärmeleitung in ein räumlich größeres Gebiet führen, was der Intension einer möglichst kleinräumigen Modifikation des Substrats zuwiderliefe.The second laser beam is preferably a short-pulse laser beam. The first and especially the third laser beam, which may also be pulsed, preferably short-pulse laser beams, can also be designed as continuous wave beams. The pulsed nature of the second laser beam, ie the excitation beam, is of particular advantage for the present invention. For the preparation beam and the STED beam, the Timinig is largely uncritical, since the effects of both beams essentially cancel each other out in their overlapping area. The active molecules intended for further excitation are made available in the Z 1 state only in the region of vanishing intensity. “Collecting” and jointly stimulating by means of a short pulse leads to a very short-term, but intensive, extremely localized temperature increase in the subsequent, radiation-free de-excitation, which is broken down very quickly due to the instantaneous heat dissipation into the surrounding substrate - albeit with thermal modification of the neighboring one Substrate molecules. A process extended without the use of a short-pulse laser as an excitation laser could lead to heat conduction in a spatially larger area, which would run counter to the intention of modifying the substrate as small as possible.
Hinsichtlich der Materialwahl für das Substrat bzw. die Wirkmoleküle steht dem Fachmann eine breite Auswahl offen. Bei einer bevorzugten Anwendungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst die Substratanordnung als Substrat einen mit Wirkmolekülen dotierten und für Licht der ersten, zweiten und dritten Wellenlänge transparenten Festkörper. Die Wirkmoleküle sind somit als Hilfsstoffe in das SubstratMaterial eingebracht. Dies kann z.B. in Form von Einzelmolekülen, als Copolymer oder in Form multimolekularer Substanzinseln in der Substratmatrix erfolgen. Eine rein beispielhaft genannte Herstellungsmethode ist die Bereitstellung von Substrat- und Wirkmolekülen in einer gemeinsamen Lösung und Evaporation des Lösungsmittels. Auch die Bereitstellung einer Mischung aus einem Prä-Polymers und den Wirkmolekülen mit anschließender Polymerisierung kann zu einem dotierten Substrat im vorliegenden Sinne führen. Da zumindest die thermische Modifikation des Substrates eine schwellenbehaftete Reaktion darstellt, ist eine unerwünschte Modifikation des Substrats außerhalb des Schreibbereichs der Laserstrahlen nicht zu befürchten. Dies gilt auch bei der bevorzugten, koaxialer Einleitung der Laserstrahlen.With regard to the choice of material for the substrate or the active molecules, a wide range is available to the person skilled in the art. In a preferred embodiment of the method according to the invention, the substrate arrangement comprises as the substrate a solid body doped with active molecules and transparent to light of the first, second and third wavelength. The active molecules are thus incorporated into the substrate material as auxiliary substances. This can e.g. in the form of single molecules, as a copolymer or in the form of multimolecular substance islands in the substrate matrix. A purely exemplary production method is the provision of substrate and active molecules in a common solution and evaporation of the solvent. The provision of a mixture of a prepolymer and the active molecules with subsequent polymerization can also lead to a doped substrate in the present sense. Since at least the thermal modification of the substrate represents a threshold-prone reaction, there is no fear of an undesired modification of the substrate outside the writing range of the laser beams. This also applies to the preferred, coaxial introduction of the laser beams.
Bei einer alternativen Anwendung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Substratanordnung als Substrat einen für Licht der ersten, zweiten und dritten Wellenlänge transparenten Festkörper sowie als Wirkflüssigkeit eine die Wirkmoleküle enthaltende Flüssigkeit in Kontakt zu einer Oberfläche des Substrats umfasst, wobei der Schreibbereich an der Kontaktfläche zwischen dem Substrat und der Wirkflüssigkeit liegt. Bei diesem Ansatz werden also die oben ausführlich erläuterten Prozesse nicht im Substrat selbst, sondern in der benachbarten Flüssigkeit vollzogen. Die thermische Wirkung dieser Prozesse beeinflusst und modifiziert jedoch die benachbarte Oberfläche des Substrats, sodass die gewünschte Feinstruktur-Modifikation des Substrats erreicht wird. Die eigentliche Modifikationsreaktion im Substrat kann dabei unmittelbar thermischer Natur sein oder eine mittelbar durch die lokale Temperatursteigerung in der Wirkflüssigkeit hervorgerufene Reaktion. Beispielsweise kann es durch die kurzfristige und lokal beschränkte Temperatursteigerung in der Wirkflüssigkeit zu erheblichen, lokalen Druckschwankungen kommen, die ihrerseits zu Ablationen an der Substratoberfläche beitragen.In an alternative application of the invention it is provided that the substrate arrangement comprises as substrate a solid body transparent to light of the first, second and third wavelengths and as the active liquid a liquid containing the active molecules in contact with a surface of the substrate, the writing area at the contact surface between the substrate and the active liquid. With this approach, the processes explained in detail above are not carried out in the substrate itself, but in the neighboring liquid. However, the thermal effect of these processes influences and modifies the adjacent surface of the substrate, so that the desired fine structure modification of the substrate is achieved. The actual modification reaction in the substrate can be of a direct thermal nature or a reaction caused indirectly by the local temperature increase in the active liquid. For example, the short-term and locally restricted temperature increase in the active liquid can lead to considerable local pressure fluctuations, which in turn contribute to ablation on the substrate surface.
Bevorzugt ist der Kontakt zwischen Substrat und Wirkflüssigkeit unmittelbar und die Kontaktfläche eine echte Grenzfläche zwischen Substrat und Wirkflüssigkeit. Es ist jedoch auch eine dünne Beschichtung des Substrates, z.B. zum Zwecke des Schutzes gegen eine aggressive Wirkflüssikeit, und damit ein mittelbarer Kontakt zwischen Substrat und Wirkflüssigkeit denkbar. Die Beschichtung hat selbstverständlich so dünn zu sein, dass die gewünschte thermisch induzierte Modifikation des Substrates nicht wesentlich behindert wird.The contact between the substrate and the active liquid is preferably direct and the contact surface is a real interface between the substrate and the active liquid. However, it is also a thin coating of the substrate, e.g. for the purpose of protection against an aggressive active liquid, and thus an indirect contact between the substrate and the active liquid is conceivable. The coating must of course be so thin that the desired thermally induced modification of the substrate is not significantly hindered.
Selbstverständlich ist es auch möglich, die Wirkflüssigkeit durch eine Wirksubstanz eines anderen Aggregatzustandes zu ersetzen, beispielsweise ein Wirkfestkörper, ein Wirkgas oder ein Wirkgel, das bzw. der die Wirkmoleküle enthält. Die oben im Kontext einer Wirkflüssigkeit gegebenen Erläuterungen gelten entsprechend. Aufgrund der hohen festgestellten Prozesseffizienz wird derzeit jedoch die Verwendung einer Wirkflüssigkeit bevorzugt.Of course, it is also possible to replace the active liquid with an active substance of another state of matter, for example an active solid, an active gas or an active gel which contains the active molecules. The explanations given above in the context of an active liquid apply accordingly. However, due to the high process efficiency found, the use of an active liquid is preferred.
Wie oben erläutert, ist es ein Vorzug der Erfindung, dass die Bandbreite der verwendbaren Materialien gegenüber dem Stand der Technik erweitert wird. Als ein besonders vorteilhaftes Material für den Festkörper - sei es als Substratanordnung dotiert mit Wirkmolekülen oder sei es als Substrat selbst in Oberflächenkontakt zu einem Wirkmedium - haben sich Polymere sowie Glas erwiesen. Dies insbesondere aufgrund der niedrigen Modifikationsschwelle im Hinblick auf thermische und ablative Modifikation einerseits und im Hinblick auf seine Transparenz im Wellenlängenbereich wirtschaftlich verfügbarer Laser. Der Begriff der Transparenz ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung funktionsorientiert auszulegen. Eine 100%ige Transparent, d.h. eine Transmissivität des Festkörpers von 1 für alle verwendeten Wellenlängen wird praktisch kaum möglich sein und ist insbesondere nicht erforderlich. „Transparent“ im Sinne der vorliegenden Beschreibung ist ein Stoff, wenn die Absorption oder Streuung der konkret verwendeten Wellenlängen hinreichend klein ist, dass keine unerwünschte Materialmodifikation erfolgt und keine derartige Schwächung der verwendeten Laserstrahlen auftritt, dass die oben erläuterten, erwünschten Prozesse im Schreibbereich nicht mehr in praktisch relevantem Maß zustande kommen.As explained above, it is an advantage of the invention that the range of materials that can be used is expanded compared to the prior art. As a particularly advantageous material for the solid - Whether as a substrate arrangement doped with active molecules or as a substrate itself in surface contact with an active medium - polymers and glass have been proven. This is particularly due to the low modification threshold with regard to thermal and ablative modification on the one hand and with regard to its transparency in the wavelength range of economically available lasers. The concept of transparency is to be interpreted in a function-oriented manner in the context of the present description. A 100% transparency, ie a transmissivity of the solid of 1 for all wavelengths used will hardly be possible in practice and is in particular not necessary. “Transparent” in the sense of the present description is a substance if the absorption or scattering of the wavelengths used is sufficiently small, that there is no undesired modification of the material and that the laser beams used are not weakened in such a way that the above-described, desired processes in the writing area no longer occur come about to a practically relevant degree.
Als Wirkmoleküle - sei es für die Dotierung eines Festkörpers oder sei es als Wirkmoleküle innerhalb eines Wirkmediums in Oberflächenkontakt zu einem Festkörpersubstrat - haben sich insbesondere organische Farbstoffe bewährt, von denen etliche die erfindungsrelevanten Eigenschaften zeigen. Als Wirkflüssigkeit hat sich eine Lösung der Wirkmoleküle in organischem Lösungsmittel bewährt.Organic dyes, some of which show the properties relevant to the invention, have proven particularly effective as active molecules - be it for doping a solid or as active molecules within an active medium in surface contact with a solid substrate. A solution of the active molecules in organic solvent has proven to be an effective liquid.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen sehen einen Festkörper aus PMMA (Polymethylmethacrylat) als Substrat in Oberflächenkontakt mit einer Lösung von Rhodamin 6G in Ethanol, einen Festkörper aus Glas als Substrat in Oberflächenkontakt mit einer Lösung von Pyren in Aceton oder einen mit Pyren dotierten Festkörper aus PVA (Polyvinylacetat) vor.Particularly preferred embodiments see a solid made of PMMA (polymethyl methacrylate) as a substrate in surface contact with a solution of Rhodamine 6G in ethanol, a solid made of glass as a substrate in surface contact with a solution of pyrene in acetone or a pyrene-doped solid made of PVA (polyvinyl acetate) in front.
Die jeweils praktisch zu verwendenden Wellenlängen hat der Fachmann in Ansehung der speziellen spektroskopischen Eigenschaften der verwendeten Substanzen zu wählen. Dies sollte ihm jedoch auf Basis der bekannten bzw. spektroskopisch leicht ermittelbaren Eigenschaften jeglicher infrage kommender Substanzen ohne Schwierigkeiten möglich sein.The person skilled in the art has to choose the wavelengths to be used in practice in view of the special spectroscopic properties of the substances used. However, this should be possible without difficulty on the basis of the known or easily detectable properties of any candidate substances.
Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are the subject of the dependent claims.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention result from the following special description and the drawings.
FigurenlisteFigure list
Es zeigen:
-
1 : ein Termschema einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, -
2 : ein Termschema einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, -
3 : ein Termschema einer Variante derAusführungsform von 1 , -
4 : ein Termschema einer Variante derAusführungsform von 2 , -
5 : ein Termschema einer dritten Ausführungsform der Erfindung, -
6 ein prinzipieller Aufbau einer ersten Anwendungsform der Erfindung und -
7 ein prinzipieller Aufbau einer zweiten Anwendungsform der Erfindung.
-
1 1 shows a term diagram of a first preferred embodiment of the invention, -
2nd FIG. 2: a term diagram of a second preferred embodiment of the invention, -
3rd : a term scheme of a variant of the embodiment of1 , -
4th : a term scheme of a variant of the embodiment of2nd , -
5 FIG. 2: a term diagram of a third embodiment of the invention, -
6 a basic structure of a first embodiment of the invention and -
7 a basic structure of a second application of the invention.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.The same reference numerals in the figures indicate the same or analog elements.
Zu Beginn des Verfahrens befinden sich die Wirkmoleküle im Grundzustand Z0. Mittels eines hier als Vorbereitungsstrahl bezeichneten Laserstrahls erfolgt eine Anregung der Wirkmoleküle vom Grundzustand Z0 in den ersten angeregten Zustand Z1, wie durch den Anregungspfeil
Die gestrichelten Linien in
Beiden Ausführungsformen ist gemeinsam, dass die strahlungslose Abregung von Z2 zurück nach Z1 erfolgt. Dies ermöglicht eine zyklische An- und Abregung zwischen den Zuständen Z1 und Z2, die eine besondere Effizienz dieser Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens bewirkt.Both embodiments have in common that the radiation-free de-excitation takes place from Z 2 back to Z 1 . This enables cyclic excitation and de-excitation between the states Z 1 and Z 2 , which brings about a particular efficiency of these embodiments of the method according to the invention.
Die Varianten gem. den
Einen rein beispielhaften Überblick über experimentelle Konstellationen zur Realisierung unterschiedlicher Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens soll die nachfolgende Tabelle geben.
Die in den drei ersten Zeilen der Tabelle aufgeführten Anwendungsbeispiele entsprechen einem experimentellen Aufbau gem.
Die Konstellation gem. erster Zeile der Tabelle entspricht weiter der Ausführungsform von
Ein ähnliches Substanz-System aus PMMA und einer 0,08 molaren Rhodamin 6G in Ethanol hat sich gem. Zeile
Ebenfalls in Zwei-Laser-Konfiguration lässt sich gem. Zeile
Als Beispiel für einen experimentellen Aufbau gem.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative exemplary embodiments of the present invention. In the light of the disclosure herein, the person skilled in the art is provided with a broad spectrum of possible variations.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- Anregungspfeil (Vorbereitung)Suggestion arrow (preparation)
- 22nd
- Anregungspfeil (Anregung)Suggestion arrow (suggestion)
- 33rd
- Abregungspfeil (stimulierte Emission)De-excitation arrow (stimulated emission)
- 44th
- Abregungspfeil (strahlungsloser Übergang)De-excitation arrow (radiationless transition)
- 55
- AbregungspfeilExcitement arrow
- 1010th
- SubstratSubstrate
- 1212th
- WirkmolekülActive molecule
- 1414
- LaserstrahlenbündelLaser beam
- 1616
- SchreibbereichWriting area
- 1818th
- WirkflüssigkeitActive liquid
- 100100
- SubstratanordnungSubstrate arrangement
- 110110
- SubstratanordnungSubstrate arrangement
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