DE10325459A1 - Creating a high-resolution structure with a substance that can be altered with an optical signal comprises applying the signal so that an intensity minimum excludes a restricted area, e.g. for writing to data storage media - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Erzeugen einer dauerhaften Struktur unter Verwendung eines optischen Signals mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit einem unter Verwendung eines optischen Signals dauerhaft strukturierbaren Schreibbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24. Die Erfindung kann insbesondere beim Schreiben in einen optischen Datenspeicher und beim Ausbilden mikrolithographischer Strukturen Anwendung finden.The The invention relates to a method for spatially high-resolution generation a permanent structure using an optical signal with the features of the preamble of claim 1. Furthermore The invention relates to a device using one of an optical signal permanently structurable writing area according to the preamble of claim 24. The invention can especially when writing to an optical data memory and find application in the formation of microlithographic structures.
Die Dauerhaftigkeit der mit dem Verfahren bzw. bei der Vorrichtung erzeugten Struktur soll zumindest für einen Zeitraum viel größer als 1 Minute und vorzugsweise für einen Zeitraum viel größer als 1 Tag oder noch mehr bevorzugt bis zum gewollten Ändern oder Löschen der Struktur gegeben sein, so dass die erzeugte Struktur auch mit größerem zeitlichen Abstand zu ihrer Erzeugung nutzbar ist.The Durability of those generated with the method or with the device Structure should at least for a period much larger than 1 minute and preferably for a period much larger than 1 Day or even more preferred until the desired change or deletion of the Structure be given, so that the generated structure with a larger temporal Distance to their generation is usable.
Bei einem bekannten Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 24 verwendet wird, wird eine Schicht aus Photolack mit dem optischen Signal überall dort belichtet, wo sie dauerhaft verändert werden soll. Dabei besteht die gewünschte Struktur nicht aus den veränderten Teilbereichen des Schreibbereichs sondern aus den mit dem optischen Signal gezielt ausgelassenen Teilbereichen.at a known method according to the preamble of claim 1, in which a device according to the preamble of claim 24 is used there will be a layer of photoresist with the optical signal everywhere there exposed where it changed permanently shall be. The desired structure does not consist of the changed Partial areas of the writing area but from those with the optical Signal deliberately omitted partial areas.
Die räumliche Auflösung sowohl abbildender als auch modifizierender optischer Verfahren wird grundsätzlich durch die von der Wellenlänge des verwendeten Lichts abhängige Beugungsgrenze (Abbe'sche Grenze) gesetzt.The spatial resolution both imaging and modifying optical processes basically through by the wavelength dependent on the light used Diffraction limit (Abbe'sche Limit).
So ist die Beugungsgrenze bei allen bekannten Verfahren zum räumlich hochaufgelösten Erzeugen einer dauerhaften Struktur unter Verwendung eines optischen Signals die natürliche Untergrenze für die Auflösung beispielsweise beim Schreiben von Daten in einen optischen Datenspeicher und damit für die in dem Datenspeicher erreichbare Datendichte oder bei der Mikrolithographie. Um immer kleinere Strukturen zu erzeugen, z. B. in einem Photoresist, ist man daher bislang gezwungen, zu immer kürzeren Wellenlängen überzugehen. Zur Zeit verwendet man daher fernes UV-Licht (englisch: deep-UV light), für die Zukunft wird die Verwendung von Röntgenlicht angestrebt. Ein Problem dabei ist, dass Licht mit einer Wellenlänge < 250 nm schwer zu fokussieren ist und die zu verwendeten Optiken teuer und ineffizient werden.So is the diffraction limit for all known methods for spatially high-resolution generation a permanent structure using an optical signal The natural Lower limit for the resolution for example when writing data to an optical data memory and therefore for the data density achievable in the data memory or in microlithography. To create ever smaller structures, e.g. B. in a photoresist So far, one has been forced to switch to shorter and shorter wavelengths. Therefore, far-reaching UV light (deep UV) is currently used light), for the The future will be the use of X-ray light. On The problem is that light with a wavelength <250 nm is difficult to focus and the optics to be used become expensive and inefficient.
Auf dem Gebiet der Fluoreszenzmikroskopie sind bereits Verfahren bekannt, bei denen durch Ausnutzung von nichtlinearen Zusammenhängen zwischen der Schärfe des effektiven fokalen Spots und der eingestrahlten Intensität die Beugungsgrenze bei der Abbildung einer Struktur einer Probe effektiv unterschritten wird. Beispiele sind die Multiphotonenabsorption in der Probe oder die Erzeugung höherer Harmonischer des einfallenden Lichts. Auch eine Sättigung eines optisch induzierten Übergangs kann als nichtlinearen Zusammenhang ausgenutzt werden, wie beispielsweise bei einer Entvölkerung des fluoreszierenden Zustands durch stimulierte Emission (englisch: stimulated emission depletion = STED) oder einer Entvölkerung des Grundzustands (englisch: ground state depletion = GSD). Bei diesen beiden Verfahren, die prinzipiell molekulare Auflösungen erreichen können, wird ein Fluoreszenzfarbstoff, mit dem die interessierende Struktur einer Probe markiert ist, überall dort, wo ein optisches Signal einen charakteristischen Grenzwert, d.h. einen Sättigungsgrenzwert, überschreitet, in einen Energiezustand versetzt, aus dem heraus keine Fluoreszenz (mehr) erfolgt. Wenn der räumliche Bereich, aus dem dann noch ein Messsignal registriert wird, durch ein lokales Intensitätsminimum des optischen Signals festgelegt wird, das eine Nullstelle aufweist und beispielsweise durch Interferenz erzeugt wird, sind seine Abmessungen und damit die erreichte Ortsauflösung kleiner als die Beugungsgrenze. Der Grund ist, dass der räumliche begrenzte Teilbereich, aus dem das Messsignal registriert wird, mit zunehmenden Sättigungsgrad der Entvölkerung des an der Fluoreszenz beteiligten Zustands eingeengt wird. Genauso wird die Kante eines fokalen Spots oder Streifens steiler, was ebenfalls zu einer erhöhten Ortsauflösung führt.On Methods are already known in the field of fluorescence microscopy where by using nonlinear relationships between the sharpness of the effective focal spot and the irradiated intensity the diffraction limit when mapping a structure of a sample becomes. Examples are multiphoton absorption in the sample or the generation of higher harmonics of the incident light. Also a saturation of an optically induced transition can be used as a nonlinear relationship, such as with depopulation of the fluorescent state through stimulated emission stimulated emission depletion = STED) or depopulation the ground state depletion (GSD). at these two processes, which in principle achieve molecular resolutions can, becomes a fluorescent dye with which the structure of interest a sample is marked, everywhere where an optical signal has a characteristic limit, i.e. exceeds a saturation limit, placed in an energy state from which no fluorescence (more) he follows. If the spatial Area from which a measurement signal is then registered by a local intensity minimum of the optical signal is determined, which has a zero and generated by interference, for example, are its dimensions and thus the spatial resolution achieved smaller than the diffraction limit. The reason is that the spatial limited sub-area from which the measurement signal is registered, with increasing degree of saturation depopulation of the state involved in fluorescence is concentrated. Exactly the same the edge of a focal spot or strip steeper, which is also to an elevated spatial resolution leads.
Ein konkretes STED-Verfahren ist aus der WO 95/21393 A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Probe bzw. ein Fluoreszenzfarbstoff in der Probe durch ein optisches Anregungssignal zur Fluoreszenz angeregt. Der räumliche Teilbereich der Anregung, für den normalerweise die Beugungsgrenze gilt, wird dann verkleinert, indem er mit einem Intensitätsminimum eines Interterenzmusters eines optischen Abregungssignals überlagert wird. Überall dort, wo das Abregungssignal einen Sättigungsgrenzwert übersteigt, wird der Fluoreszenzfarbstoft zumindest im Wesentlichen vollständig durch stimulierte Emission ausgeschaltet, d.h. aus dem zuvor angeregten Energiezustand wieder abgeregt. Der verbleibende räumliche Teilbereich, aus dem anschließend noch Fluoreszenzlicht spontan emittiert wird, entspricht nur noch einem verkleinerten Gebiet um die Nullstelle des Intensitätsminimums, in dem das Abregungssignal nicht oder nicht mit ausreichender Intensität vorlag.On concrete STED method is known from WO 95/21393 A1. at a sample or a fluorescent dye in this method the sample is stimulated to fluorescence by an optical excitation signal. The spatial Part of the suggestion for which is normally the diffraction limit is then reduced, by having an intensity minimum an interference pattern of an optical de-excitation signal is superimposed becomes. Everywhere over there, where the de-excitation signal exceeds a saturation limit the fluorescent dye is at least essentially completely through stimulated emission switched off, i.e. from the previously suggested Energy state again depleted. The remaining spatial Subarea from which subsequently fluorescent light is still emitted spontaneously, only corresponds a reduced area around the zero of the intensity minimum, in which the de-excitation signal was not present or was not present with sufficient intensity.
Aus The Journal of Biological Chemistry, Vol. 275, No. 84, Seiten 25879-25882 (2000), ist ein Protein bekannt, das durch grünes Licht in zunehmendem Maße zur Fluoreszenz im roten Bereich anregbar ist, das aber bei Bestrahlung mit blauem Licht seine Fluoreszenzeigenschaften verliert. Dieser Prozess ist umkehrbar. Offenbar schaltet das grüne Licht das Protein in einen Konformationszustand, in dem es die Fluoreszenzeigenschaft hat, und regt gleichzeitig die Fluoreszenz an, während das blaue Licht das Protein in einen Konformationszustand ohne die Fluoreszenzeigenschaften umschaltet. Das Protein ist ein in der Seeanemone Anemonia sulcata vorkommendes natürliches Protein, dessen hier beschriebenen Funktionen durch gezielten Austausch einer Aminosäure verstärkt werden können.From The Journal of Biological Chemistry, Vol. 275, No. 84, pages 25879-25882 (2000), a protein is known which is increasingly stimulable to fluorescence in the red region by green light, but which loses its fluorescence properties when irradiated with blue light. This process is reversible. Apparently, the green light switches the protein into a conformational state in which it has the fluorescent property and at the same time stimulates fluorescence, while the blue light switches the protein into a conformational state without the fluorescent properties. The protein is a natural protein found in the sea anemone Anemonia sulcata, whose functions described here can be enhanced by the targeted exchange of an amino acid.
Weiterhin ist es aus der Zeitschrift Nature Vol. 388, Seiten 355-358, (1997) bekannt, dass das Grün-Fluoreszierende-Protein (englisch: green-fluorescent protein, GFP) und Mutanten davon zwischen zwei Zuständen geschaltet werden können, wobei der eine sich von dem anderen spektral unterscheidet. Beide Proteine können als Fluoreszenzmarker in lebenden Zellen eingesetzt werden.Farther it is from the magazine Nature Vol. 388, pages 355-358, (1997) known to be the green fluorescent protein (English: green-fluorescent protein, GFP) and mutants thereof between two states can be switched one being spectrally different from the other. Both Proteins can can be used as fluorescent markers in living cells.
Aus der Publikation Nature, Vol. 420, Seiten 759-760, (2002) sind fluoreszierende Moleküle aus der Familie der Diarylethenen bekannt, die sich zwischen einen fluoreszierenden und einem nichtfluoreszierenden Zustand beliebig hin- und herschalten lassen. Beide Zustände sind thermisch stabil, so dass der Schaltprozess, bei dem es sich um eine Photoisomerisierung oder Photocyclisierung handelt, mit vergleichweise niedrigen Intensitäten eines optischen Signals erzwungen werden kann. Moleküle, die unter Lichteinfluss ihre Farbe verändern, werden im allgemeinen als photochromenen Moleküle bezeichnet.Out of the publication Nature, Vol. 420, pages 759-760, (2002) are fluorescent molecules known from the family of diarylethenes, who are between one fluorescent and a non-fluorescent state any toggle back and forth. Both states are thermally stable, so the switching process, which is photoisomerization or photocyclization, with comparatively low intensities optical signal can be forced. Molecules under the influence of light change their color, are generally referred to as photochromic molecules.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem die Beugungsgrenze beim Erzeugen von dauerhaften Strukturen unter Verwendung eines optischen Signals unterschreitbar ist. Weiterhin soll eine für ein solches Verfahren geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24 aufgezeigt werden.The The invention has for its object a method according to the preamble of claim 1 to show, in which the diffraction limit at Create permanent structures using an optical one Signal is below. Furthermore, one for such Method suitable device according to the preamble of the claim 24 are shown.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY THE INVENTION
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 24 gelöst.The The object of the invention is achieved by a method with the features of claim 1 and a device with the features of Claim 24 solved.
Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben, wobei die Unteransprüche 22 und 23 konkrete Anwendungen des neuen Verfahrens betreffen und wobei sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung auch aus den abhängigen Ansprüchen zu dem Verfahren ableiten lassen.advantageous embodiments of the method and the device are described in the dependent claims, being the subclaims 22 and 23 concern specific applications of the new method and with further advantageous embodiments of the new device also from the dependent ones claims to be deduced to the procedure.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION THE INVENTION
Bei dem neuen Verfahren ist der von dem optischen Signal gezielt ausgelassene Teilbereich, in dem keine oder zumindest im Wesentlichen keine Veränderung der Substanz erfolgt, ein lokales Intensitätsminimum des optischen Signals. Gleichzeitig wird das optische Signal außerhalb des gezielt ausgelassenen räumlich begrenzten Teilbereichs so aufgebracht, dass beim Verändern der Substanz mit dem optischen Teilbereich die Sättigung erreicht wird. Im Ergebnis sind die Abmessungen des Teilbereichs, in dem die Substanz durch das optische Signal nicht verändert ist, kleiner als die Beugungsgrenze.at The new method is the one specifically omitted from the optical signal Subarea in which no or at least essentially no change of the substance, a local intensity minimum of the optical signal. At the same time, the optical signal is deliberately left out spatial limited portion so that when changing the Substance with the optical part of the saturation is reached. As a result are the dimensions of the section in which the substance passes through the optical signal does not change is smaller than the diffraction limit.
Das lokale Intensitätsminimum des optischen Signals wird bei dem neuen Verfahren durch Interferenz erzeugt. Dabei ist der Begriff Interferenz sehr weit zu fassen. So werden nicht zwingend zwei oder noch mehr Lichtstrahlen miteinander überlagert. Beispielsweise können auch die beim Fokussieren eines Lichtstrahls auftretenden Interferenzeffekte genutzt werden.The local intensity minimum of the optical signal is in the new method by interference generated. The term interference is very broad. In this way, two or more light beams are not necessarily superimposed on one another. For example can also the interference effects that occur when focusing a light beam be used.
Die Sättigung beim Verändern der Substanz mit dem optischen Signal wird erreicht, indem das optische Signal außerhalb des gezielt ausgelassenen räumlich begrenzten Teilbereichs mit einer Intensität oberhalb eines Sättigungsgrenzwerts aufgebracht wird, ab dem die Substanz von dem optischen Signal vollständig bzw. zumindest im Wesentlichen vollständig verändert wird. Es versteht sich, dass zum Unterschreiten der Beugungsgrenze der Sättigungsgrenzwert nicht nur am Ort der Intensitätsmaxima erreicht wird, die dem Intensitätsminimum in dem räumlich begrenzten Teilbereich benachbart sind. Vielmehr muss der Sättigungsgrenzwert auch näher an dem lokalen Intensitätsminimum liegend überschritten werden, um die Beugungsgrenze effektiv zu unterschreiten. Dies ist durch eine Erhöhung der Intensität des optischen Signals zu erreichen.The saturation when changing the substance with the optical signal is achieved by the optical Signal outside the deliberately omitted spatial limited sub-range with an intensity above a saturation limit is applied, from which the substance is completely or at least essentially completely changed becomes. It is understood that to fall below the diffraction limit the saturation limit not only at the location of the intensity maxima is reached, the intensity minimum in the limited space Subarea are adjacent. Rather, the saturation limit must also be closer to the local one intensity minimum be crossed lying down, to effectively fall below the diffraction limit. This is through an increase the intensity of the optical signal.
Das neue Verfahren kann dazu genutzt werden, ein-, zwei- oder auch dreidimensionale Strukturen in dem Schreibbereich zu erzeugen. Dabei versteht sich, dass der Schreibbereich entsprechend der gewünschten Dimensionalität der Struktur ausgebildet und mit der Substanz versehen sein muss. Vorzugsweise ist die Substanz in dem Schreibbereich homogen verteilt oder systematisch angeordnet, um für gleichbleibende Verhältnisse über den gesamten Schreibbereich zu sorgen.The new method can be used to create one-, two- or even three-dimensional structures in the writing area. It goes without saying that the writing area must be designed in accordance with the desired dimensionality of the structure and be provided with the substance. The substance is preferably homogeneously distributed in the writing area or systematically arranged in order to ensure constant conditions over the entire area To worry about writing area.
Um die Struktur in dem Schreibbereich vollständig auszubilden, ist es vorgesehen, dass der Schreibbereich mit dem von dem optischen Signal gezielt ausgelassenen Teilbereich abgerastert wird. Da die Struktur auch in mehreren voneinander beabstandeten Punkten, d.h. mehreren räumlich begrenzten Teilbereichen, gleichzeitig erzeugt werden kann, kann der Schreibbereich auch mit mehreren von dem optischen Signal gezielt ausgelassenen Teilbereichen gleichzeitig abgerastert werden. Damit wird der Zeitbedart für die Erzeugung der jeweiligen Struktur reduziert.Around to fully form the structure in the writing area, it is provided that the writing area is targeted with that of the optical signal omitted partial area is scanned. Because the structure too at several spaced apart points, i.e. several spatially limited Subareas that can be generated at the same time can be the writing area also with several specifically omitted from the optical signal Partial areas are scanned simultaneously. So the time is required for the Generation of the respective structure reduced.
Da jede von dem optischen Signal gezielt ausgelassene Teilbereich ein lokales Intensitätsminimum eines Interferenzmusters ist, kann das Abrastern durch die Verschiebung eines oder mehrerer Interferenzminima des optischen Signals erfolgen. Diese Verschiebung kann durch eine Phasenverschiebung der interferierenden Strahlen bewirkt werden.There each partial area specifically omitted from the optical signal local intensity minimum of an interference pattern, the scanning can be carried out by shifting a or more interference minima of the optical signal. This shift can be caused by a phase shift of the interfering Rays are caused.
Bei dem neuen Verfahren kann das optische Signal direkt das Schreibsignal sein, mit dem die gewünschte Struktur erzeugt wird. Dazu ist die Substanz aus der Gruppe von Substanzen auszuwählen, die mit dem optischen Signal dauerhaft aus einem Ausgangszustand in einen veränderten Zustand veränderbar sind. Die von dem optischen Signal gezielt ausgelassenen Bereiche sind dann die gewünschte Struktur mit einer Ortsauflösung unterhalb der Beugungsgrenze. Das Unterschreiten der Beugungsgrenze wird dabei nicht nur dann erreicht, wenn die erzeugte Struktur Abmessungen unterhalb der Beugungsgrenze aufweist, sondern auch dann, wenn die Übergänge zu der Struktur schärfer als durch die Beugungsgrenze vorgegeben sind. Konkret können bei der Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei der das optische Signal direkt als Schreibsignal dient, Datenpunkte in einen optischen Speicher eingeschrieben werden, die sich durch besondere Schärfe und geringe Abmessungen auszeichnen, während ihr Abstand weiterhin durch die Beugungsgrenze definiert ist.at With the new method, the optical signal can directly be the write signal with which the desired one Structure is created. This is the substance from the group of To select substances that with the optical signal permanently from an initial state in a changed one State changeable are. The areas specifically omitted from the optical signal are then the desired structure with a spatial resolution below the diffraction limit. Falling below the diffraction limit is not only achieved if the structure created has dimensions below the diffraction limit, but also when the transitions to the Structure sharper than specified by the diffraction limit. Specifically, at the embodiment of the new process, in which the optical signal directly as a write signal serves to write data points into an optical memory, which is characterized by special sharpness and feature small dimensions while their distance continues is defined by the diffraction limit.
Bei einer zweiten grundsätzlichen Ausführungsform des neuen Verfahrens kann auch der Abstand solcher Datenpunkte unter die Beugungsgrenze gebracht werden. Hierzu wird die Substanz aus der Gruppe von Substanzen ausgewählt, die mit dem optischen Signal wiederholt aus einem ersten Zustand mit ersten Eigenschaften in einen zweiten Zustand mit zweiten Eigenschaften überführbar sind und die aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand zurück bringbar sind, wobei die Substanz nur in dem ersten Zustand mit einem Schreibsignal dauerhaft in den anderen Zustand veränderbar ist. D.h., hier ist das optische Signal noch nicht das Schreibsignal, welches zusätzlich aufgebracht wird. Das optische Signal wird vielmehr genutzt, um die Substanz außerhalb des gezielt ausgelassenen Teilbereichs in den Zustand zu versetzen, der hier als zweiter Zustand bezeichnet ist und aus dem heraus keine dauerhafte Veränderung der Substanz mit dem Schreibsignal erfolgt. Die nur vorübergehende Überführung der Substanz mit dem optischen Signal von ihrem ersten Zustand in ihren zweiten Zustand ist bei dieser zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens Voraussetzung dafür, dass auch beim Abstand der Details der erzeugten Struktur die Beugungsgrenze unterschritten werden kann. Die Struktur wird immer nur in einem Teilbereich mit dem Schreibsignal verändert, der kleinere Abmessungen als die Beugungsgrenze aufweist. Ob in der Umgebung dieses Teilbereichs weitere Veränderungen vorgenommen werden, ist hierdurch noch nicht vorgegeben. Die ersten und zweiten Eigenschaften der Substanz in ihrem ersten und ihrem zweiten Zustand müssen nicht zwingend "binär" sein, d.h. die Veränderbarkeit der Substanz mit dem Schreibsignal braucht nicht in dem ersten Zustand zu 100 % und in dem zweiten Zustand zu 0 % vorzuliegen. Es ist vielmehr ausreichend, wenn diese Eigenschaften in Bezug auf das Schreibsignal so große Unterschiede aufweisen, dass eine eindeutige Zuordnung des Schreibsignals zu dem ersten Zustand gegeben ist, so dass die Substanz im Wesentlichen nur in ihrem ersten Zustand von dem Schreibsignal dauerhaft verändert wird.at a second basic one embodiment The distance between such data points can also be changed using the new method the diffraction limit. For this, the substance from the Group of substances selected those with the optical signal repeated from a first state with first properties can be converted into a second state with second properties and which can be brought back from the second state to the first state are, the substance only in the first state with a write signal is permanently changeable to the other state. That is, here is the optical signal is not yet the write signal, which is additionally applied becomes. Rather, the optical signal is used to move the substance outside to put the deliberately omitted partial area into the state, which is referred to here as the second state and from which none permanent change the substance with the write signal. The only temporary transfer of the Substance with the optical signal from their first state in their second state is in this second embodiment of the new method Prerequisite for this that even with the spacing of the details of the structure created, the diffraction limit can be undercut. The structure is always in one Section changed with the write signal, the smaller dimensions than the diffraction limit. Whether in the area of this area further changes made are not yet determined by this. The first and second Properties of the substance in its first and second states have to not necessarily be "binary", i.e. the changeability the substance with the write signal does not need to be in the first state 100% and 0% in the second state. It is much more sufficient if these properties in relation to the write signal so big Differences show that a clear assignment of the write signal the first state is given, so the substance is essentially is only permanently changed by the write signal in its first state.
In einer bevorzugten Variante der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens ist das Schreibsignal, das zusätzlich zu dem optischen Signal aufgebracht wird, ebenfalls ein optisches Signal. In diesem Fall umfassen die ersten und die zweiten Eigenschaften der Substanz in ihrem ersten und ihrem zweiten Zustand auch unterschiedliche optische Eigenschaften, wobei nur die ersten Eigenschaften das optische Schreibsignal unterstützen. Das Schreibsignal kann auch aus dem nicht sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums kommen, beispielsweise aus dem fernen Infrarot- oder dem Mikrowellenbereich. Ebenso können elektromagnetische Strahlen einer Wellenlänge kleiner 250 nm als optisches Schreibsignal zum Einsatz kommen. In jedem Fall bleibt als Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass das Schreibsignal nicht auf den Teilbereich fokussiert werden muss, der innerhalb des Schreibbereichs dauerhaft verändert werden soll, denn die räumliche Festelegung der dauerhaft zu verändernden Teilbereiche erfolgt durch die räumliche Festlegung des zweiten Zustands der Substanz mit Hilfe des optischen Signals. So kann das Schreibsignal auch ein nicht-elektromagnetisches Signal, also beispielsweise thermisch oder chemisch, sein.In a preferred variant of the second embodiment of the new method is the write signal that additionally is applied to the optical signal, also an optical Signal. In this case, the first and second properties include the substance in its first and second states also different optical properties, with only the first properties the optical Support write signal. The write signal can also be from the invisible area of the electromagnetic spectrum come, for example, from far away Infrared or the microwave range. Likewise, electromagnetic radiation one wavelength smaller than 250 nm can be used as an optical write signal. In each Case remains as an advantage over the state of the art that the write signal does not affect the partial area must be focused on that permanently within the writing area changed should be, because the spatial Definition of the permanently to be changed Subareas are done by the spatial Determination of the second state of the substance using the optical Signal. So the write signal can also be a non-electromagnetic one Signal, for example thermally or chemically.
Substanzen mit zwei unterschiedlichen Zuständen mit unterschiedlichen Eigenschaften, die für das neue Verfahren geeignet sind, können aus der Untergruppe von Substanzen ausgewählt werden, bei denen die beiden Zustände mit den unterschiedlichen Eigenschaften unterschiedliche Konformationszustände eines Moleküls oder einer Molekülgruppe oder unterschiedliche chemische Bindungen aufweisen und/oder durch eine Photoisomerisierung oder Photozyklisierung ineinander überführbar sind. Das optische Signal kann bei der Substanz entsprechend eine Umlagerung von Bindungen oder Atomgruppen, eine cis-trans Isomerisierung, eine Zyklisierungsreaktion, eine Protonierung/De-Protonierung, eine Spin-Umklappung, eine Orientierungsänderung von Molekülen oder Molekülgruppen, und/oder einen Elektronentransfer und/oder Energietransfer zwischen verbundenen Molekülen oder Moleküluntereinheiten auslösen.Substances with two different states with different properties that are suitable for the new method can be selected from the subset of substances, in which the two states with the different properties have different conformational states of a molecule or a group of molecules or different chemical bonds and / or can be converted into one another by photoisomerization or photocyclization. The optical signal can correspondingly a rearrangement of bonds or atom groups, a cis-trans isomerization, a cyclization reaction, a protonation / de-protonation, a spin flip, a change in orientation of molecules or groups of molecules, and / or an electron transfer and / or trigger energy transfer between linked molecules or molecular subunits.
Ein großer Vorteil des neuen Verfahrens besteht darin, dass die beiden Zustände mit den ersten und zweiten Eigenschaften vieler in Frage kommender Substanzen eine um ein Vielfaches längere Lebensdauer als beispielsweise an einer Fluoreszenz beteiligte Energiezustände eines Farbstoffs aufweisen. Zudem sind die Intensitäten, die zum Erreichen der Sättigung beispielsweise einer Konformationsänderung erforderlich sind, relativ gering. Zustandsänderungen, bei denen der Ausgangszustand und/oder der Endzustand relativ langlebig (größer 100 ns) ist, können mit vergleichsweise niedrigen Intensitäten des optischen Signals bewirkt werden. Je langlebiger die Zustände sind, desto geringer sind die benötigten Intensitäten.On greater The advantage of the new method is that the two states with the first and second properties of many of the substances in question a much longer one Lifespan as an energy state involved in fluorescence, for example Have dye. In addition, the intensities required to achieve the saturation for example a change in conformation is required relatively low. State changes, where the initial state and / or the final state are relatively long-lived (greater than 100 ns) can with comparatively low intensities of the optical signal become. The more durable the conditions the lower the intensities required.
Bevorzugt sind bei der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens Substanzen, die mit einem Schaltsignal aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand überführbar sind. Mit dem Schaltsignal kann dann die Überführung der Substanz mit dem optischen Signal in den zweiten Zustand gezielt rückgängig gemacht werden. Das Schaltsignal kann ein optisches Schaltsignal sein. Es kann sich aber auch um ein elektrisches oder thermisches Signal oder auch ein Signal aus dem nichtoptischen Teil des elektromagnetischen Spektrums handeln. Es ist weiterhin möglich, dass die Substanz spontan in ihren ersten Zustand zurückkehrt, d.h. bei Umgebungstemperatur thermisch getrieben. So ist es bekannt, dass Moleküle, die eine photoinduzierte cis-trans Isomerisierung durchlaufen, rein thermisch in den ersten Zustand zurück kommen können. Mit einem Schaltsignal, das die Substanz gezielt in den ersten Zustand zurück bringt, kann das Verfahren aber in aller Regel beschleunigt oder zumindest besser kontrolliert werden.Prefers are in the second embodiment of the new process substances with a switching signal the second state can be converted into the first state. With the switching signal can then transfer the Target substance with the optical signal in the second state reversed become. The switching signal can be an optical switching signal. It can also be an electrical or thermal signal or a signal from the non-optical part of the electromagnetic Trade spectrum. It is also possible that the substance is spontaneous returns to its first state, i.e. thermally driven at ambient temperature. So it is known that molecules undergoing photo-induced cis-trans isomerization, pure can thermally return to the first state. With a switching signal, that specifically returns the substance to its first state, can usually speed up the process, or at least be better controlled.
Um unerwünschte Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Signalen bei der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahren auszuschließen, ist es bevorzugt, wenn die dauerhafte Veränderung der Substanz mit dem Schreibsignal in den anderen Zustand weder durch das optische Signal noch durch das Schaltsignal rückgängig gemacht wird.Around undesirable Interactions between the different signals in the second embodiment to exclude the new procedure, it is preferred if the permanent change of the substance with the Write signal in the other state neither through the optical signal still undone by the switching signal becomes.
Das Schaltsignal wird vor oder, sofern das erfolgreiche Überführen der Substanz in den zweiten Zustand durch das optische Signal hierdurch nicht grundsätzlich in Frage gestellt wird, zusammen mit dem optischen Signal auf den Schreibbereich aufgebracht.The Switching signal is provided before or if the successful transfer of the Substance in the second state through the optical signal not basically is questioned, along with the optical signal on the Writing area applied.
Insbesondere ist es nicht erforderlich, das Schaltsignal auf die Teilbereiche des Schreibbereichs einzugrenzen, in denen aktuell die Struktur erzeugt wird. Die räumliche Eingrenzung beim Erzeugen der Struktur wird bei dem neuen Verfahren durch das optische Signal geleistet.In particular it is not necessary to switch the switching signal to the sub-areas of the writing area in which the structure is currently is produced. The spatial The new method limits the structure done by the optical signal.
Das Schreibsignal, das bei der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens ebenfalls nicht auf die zu verändernden Teilbereiche des Schreibbereichs lokalisiert zu werden braucht, wird nach oder gleichzeitig mit dem optischen Signal auf die Probe aufgebracht. Bei einer gleichzeitigen Aufbringung ist wieder zu beachten, dass keine wechselseitige Störung auftreten darf.The Write signal used in the second embodiment of the new method also not to be changed Parts of the writing area need to be localized is applied to the sample after or simultaneously with the optical signal. With a simultaneous application it should be noted that no mutual interference may occur.
Obwohl, wie voranstehend angesprochen, eine zeitliche Überschneidung der Signale möglich ist, wird das Verständnis der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens bei einer Betrachtung der folgenden Signalabfolgen erleichtert, die sich zyklisch wiederholt. Die Substanz befindet sich in dem Schreibbereich in ihrem ersten Zustand. Mit dem optischen Signal wird die Substanz in Teilbereichen des Schreibbereichs in ihren zweiten Zustand überführt. Hierbei wird der räumlich begrenzte Teilbereich ausgelassen, indem die Substanz dauerhaft verändert werden soll und in dem sie sich weiterhin in ihrem ersten Zustand befindet. Mit dem Schreibsignal wird anschließend in dem Teilbereich die Substanz dauerhaft in ihren anderen Zustand verändert. Hiernach wird die Substanz in dem Schreibbereich wieder in ihren ersten Zustand gebracht. Dies kann mit Hilfe des Schaltsignals erfolgen. Danach beginnt der Zyklus wieder von vorne an einer anderen Stelle des Schreibbereichs. Bei einem weniger stark lokalisierten Schreibsignal muss auch das optische Signal, das die Substanz in ihren gegenüber dem Schreibsignal unempfindlichen zweiten Zustand überführt den Schreibbereich großflächig abdecken. Bei einem stärker lokalisierten Schreibsignal ist dies nicht notwendig. Der Zeitpunkt des Vorhandenseins der einzelnen Signal bei dem neuen Verfahren bestimmt sich nach dem Erreichen bestimmter Intensitäten. So können auch zeitlich periodische Modulationen der Signale vorgenommen werden, um die zyklische Abfolge der Signals zu realisieren.Even though, as mentioned above, the signals may overlap in time, becomes understanding the second embodiment of the new method when considering the following signal sequences relieved, which repeats itself cyclically. The substance is there themselves in the writing area in their first state. With the optical The substance is signaled in partial areas of the writing area transferred their second state. in this connection is the spatial limited portion omitted by making the substance permanent to be changed should and in which it is still in its first state. The write signal is then used in the partial area Substance permanently changed to its other state. After that, the substance restored to its first state in the writing area. This can be done with the help of the switching signal. Then the cycle starts again from the front at another point in the writing area. At a The optical signal must also be less localized Signal that the substance in its insensitive to the write signal second state transfers the write area cover large areas. With a stronger one localized write signal this is not necessary. Point of time the presence of each signal in the new procedure is determined after reaching certain intensities. So can too periodic modulations of the signals are carried out, to implement the cyclical sequence of the signals.
Die Substanz kann beispielsweise aus der Gruppe der Proteine ausgewählt werden. Hierzu gehören die bekannten Proteine asCP (asF595) und T70a/A148S/S165V, welche über zwei Konformationszustände mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften verfügen, oder auch das Green-Fluorescent-Protein (GFP) und davon abgeleitete Mutanten.The substance can be selected from the group of proteins, for example. These include the well-known proteins asCP (asF595) and T70a / A148S / S165V, which have two conformational states with different optical properties, or also the green fluorescent protein (GFP) and mutants derived from it.
Die dauerhafte Veränderung der Substanz in den anderen Zustand kann irreversibel oder reversibel sein. Wenn sie reversibel ist, sollte ihre Umkehrung weder durch das Umschaltsignal noch ein anderes der bei der ursprünglichen Veränderung eingesetzten Signale bewirkt werden. Vielmehr sollte zur Aufhebung der Veränderung ein weiteres Signal mit anderen Eigenschaften notwendig sein.The permanent change the substance in the other state can be irreversible or reversible his. If it is reversible, its reversal should not go through the switching signal is still another one of the original change used signals are effected. Rather, repeal of change another signal with different properties may be necessary.
Wenn der andere Zustand der Substanz, in den sie nach dem neuen Verfahren dauerhaft überführt wird, beispielsweise eine veränderte optische Eigenschaft aus der Absorption, Streuung und Polarisierung umfassenden Gruppe oder eine veränderte Lumineszenz aus der Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Elektrolumineszenz und Chemolumineszenz umfassenden Gruppe aufweist, kann die erzeugte Struktur des anderen Zustands mit einem Teststrahl ausgelesen werden.If the other state of the substance in which they are using the new process is permanently transferred for example a changed one optical property from absorption, scattering and polarization comprehensive group or a changed luminescence from fluorescence, phosphorescence, electroluminescence and chemiluminescence comprehensive group, the generated structure of the other Condition can be read out with a test beam.
Bei Ausnutzung der Möglichkeiten der vorliegenden Erfindung, kann mit dem neuen Verfahren ein optischer Datenspeicher mit besonders hoher Datendichte beschrieben werden, die nicht mehr durch die Beugungsgrenze limitiert ist. Ebenso können Mikro- und Nanostrukturen mit einer über die Beugungsgrenze hinaus verbesserten Auflösung geschrieben bzw. ausgebildet werden.at Exploiting the opportunities of the present invention, an optical Data storage with particularly high data density are described, which is no longer limited by the diffraction limit. Likewise, micro and Nanostructures with an over the diffraction limit beyond improved resolution become.
Die im Anspruch 24 definierte neue Vorrichtung kann zur Durchführung der zweiten Ausführungsform des neuen Verfahrens verwendet werden und eignet sich besonders als optischer Datenspeicher.The defined in claim 24 new device for performing the second embodiment of the new method can be used and is particularly suitable as an optical data storage.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENSUMMARY THE FIGURES
Im Folgenden werden die Grundlagen der Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Details weiter erläutert und beschrieben.in the The following are the basics of the invention with reference to in the Figures illustrated details further explained and described.
FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES
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