RU2646441C1 - Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки - Google Patents

Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки Download PDF

Info

Publication number
RU2646441C1
RU2646441C1 RU2016150589A RU2016150589A RU2646441C1 RU 2646441 C1 RU2646441 C1 RU 2646441C1 RU 2016150589 A RU2016150589 A RU 2016150589A RU 2016150589 A RU2016150589 A RU 2016150589A RU 2646441 C1 RU2646441 C1 RU 2646441C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
substrate
laser
laser irradiation
intensity
Prior art date
Application number
RU2016150589A
Other languages
English (en)
Inventor
Владимир Владимирович Чесноков
Дмитрий Владимирович Чесноков
Денис Вячеславович Кочкарев
Максим Викторович Кузнецов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий"
Priority to RU2016150589A priority Critical patent/RU2646441C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2646441C1 publication Critical patent/RU2646441C1/ru

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Использование: для формирования на подложках структурных образований из микро- и наночастиц. Сущность изобретения заключается в том, что по способу упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки путем их перемещения с помощью лазерного излучения, в соответствии с изобретением, подложки с наночастицами на поверхности облучают многократно импульсами лазерного пучка с распределением интенсивности по облучаемой области, повторяющим необходимое расположение наночастиц, причем интенсивность в максимумах достаточна для возбуждения в них импульса избыточного давления в среде. Технический результат: обеспечение возможности получения на поверхности диэлектрической или полупроводниковой подложки упорядоченного слоя наночастиц в виде одномерной решетки, составленной из рядов наночастиц. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к оптическим технологиям, в частности к лазерным методам формирования на подложках структурных образований из микро- и наночастиц для создания приборов фотоники и микроэлектроники.
Известны различные способы формирования упорядоченных структур из наночастиц, то есть из образований с размерами в поперечнике несколько сотен нм и менее, на поверхности подложки.
Аналогом выбран способ лазерной очистки поверхностей от посторонних частиц[Чесноков, В.В. Лазерная очистка поверхностей от посторонних частиц / В.В. Чесноков // Изв. вузов. Сер. Приборостроение.- 1993.- №3.- С.81-83], при котором на подложку с частицей направляют импульс лазерного излучения с такой интенсивностью, при которой подложка и частица нагреваются до температуры десорбции с их поверхностей молекулярных слоев атмосферных газов и других летучих загрязнений, возникает реактивный импульс отдачи паров с освещенной стороны частицы и давление на частицу десорбированного с поверхности частицы газа, что приводит к перемещению частицы по поверхности.
Недостатком аналога является сложность адресации перемещения частицы в заданное место и возможность смещения при этом других частиц на подложке.
В качестве прототипа примем способ самосборки коллоидальных наночастиц в упорядоченные матрицы на плоской подложке [Ara´nzazudelCampo, Anne-SophieDuwez, Charles-Andre´ Fustin, UlrichJonas. Colloidal Micro- and Nanostructures Assembled on Patterned Surfaces/ Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology.2004]. На поверхность подложки наносят очень тонкий слой жидкости, являющейся суспензией латексных монодисперсных шариков с весовой концентрацией порядка 1% и испаряют в контролируемых условиях. Упорядочение происходит, когда слой жидкости утоняется до размера наночастицы, капиллярные силы в краевом мениске слоя уплотняют наночастицы до компактной матрицы с расположением частиц по ее строкам и столбцам.
Недостатками способа являются необходимость иметь частицы с малым разбросом их размеров, необходимость проводить процесс в жидкой среде, а также невозможность формировать на поверхности заданный узор из наночастиц.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является создание способа расположения наночастиц на поверхности подложки по заданному узору.
Решение задачи достигается тем, что в известном способе упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки путем их перемещения с помощью лазерного излучения, в соответствии с изобретением, подложки с наночастицами на поверхности облучают многократно импульсами лазерного пучка с распределением интенсивности по облучаемой области, повторяющим необходимое расположение наночастиц, причем интенсивность в максимумах достаточна для возбуждения в них импульса избыточного давления в среде.
Предлагается также, что лазерное облучение производят, формируя на поверхности подложки с наночастицами двухлучевую интерференционную картину.
Предлагается также, что лазерное облучение производят, располагая наночастицы в атмосфере газа или жидкости, химически инертной к материалам наночастиц и подложки.
Предлагается также, что лазерное облучение производят импульсами с длительностью, меньшей времени распространения звука или ударной волны в среде на расстояние между минимумами интенсивности излучения.
Предлагается также, что лазерное облучение производят через вспомогательную прозрачную плоскую пластину, наложенную на поверхность подложки с наночастицами с зазором, превышающим величину поперечника наночастиц.
Фигуры 1, 2, З и 4 иллюстрируют представленное изобретение.
На фиг. 1 показана последовательность этапов способа по изобретению. Верхний график показывает распределение интенсивности
Figure 00000001
лазерного излучения по поверхности подложки. На поверхности беспорядочно расположены наночастицы, обозначенные кружками;
Figure 00000002
-координатная ось. Средний график показывает распределение давления
Figure 00000003
среды в момент лазерного импульса на поверхности подложки; стрелками на кружках показано направление действия сил, действующих на наночастицы вследствие возникновения градиента давления среды в местах расположения наночастиц. Нижний график показывает расположение наночастиц после окончания облучения подложки последовательностью лазерных импульсов. Величина
Figure 00000004
- период интерференционной картины.
На фиг.2 показана схема облучения подложки при использовании вспомогательной пластины по изобретению. Здесь 1 – подложка с располагающимися на ее поверхности наночастицами 3, 2 – вспомогательная прозрачная плоская пластина, 4 – зазор между вспомогательной пластинй и подложкой; величина зазора должна быть достаточной для возможности свободного перемещения наночастиц в пространстве между подложкой и пластиной при локальном возбуждении лазерно-индуцированного избыточного давления. Предпочтительная величина зазора – не более нескольких поперечников наночастиц.
На фиг.3 показана картина расположения наночастиц на поверхности подложки, получившаяся в результате упорядочения их расположения по заявленному способу при использовании двухлучевой интерференции. Величина
Figure 00000004
- период интерференционной картины. Частицы, обозначенные кружками, расположены параллельными рядами на поверхности.
На фиг.4 показана картина расположения наночастиц на поверхности подложки, получившаяся в результате упорядочения их расположения по заявленному способу в результате двукратного облучения в режиме двухлучевой интерференции после поворота подложки в своей плоскости после первого облучения. Частицы, обозначенные кружками, расположены в узлах квадратной сетки линий, совпадающих с положениями интерференционных минимумов при лазерном облучении.
Рассмотрим механизм упорядочения наночастиц на поверхности, используемый в настоящем изобретении.
Беспорядочно расположенные на поверхности наночастицы могут перемещаться и образовать необходимый узор под действием градиента давления в приповерхностном слое среды; градиент давления возникает при импульсном лазерном облучении поверхности, если интенсивность излучения в разных точках поверхности различна, и они нагреваются лазерным импульсом до разных температур. При наносекундной длительности импульса в области большей интенсивности возникает большее давление газа, и уравнивание давлений в этих областях происходит со скоростью звука в атмосфере. Кратковременно существует градиент давления, который и приводит в движение наночастицы. При увеличении интенсивности лазерного излучения в облучаемой среде может возникнуть ударная волн, давление в которой может достигать десятков атмосфер.[Анисимов С.И., и др. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1976. – 272 с.].
При нормальном падении лазерного пучка на металлическую поверхность и гауссовском распределении интенсивности по сечению пучка температура поверхности в центре пятна за время импульса увеличивается на
Figure 00000005
[Лазнева Э.Ф. Лазерная десорбция / Э.Ф.Лазнева. – Л.: Изд–во ЛГУ, 1990.]:
Figure 00000006
где
Figure 00000007
– поглощательная способность поверхности;
Figure 00000008
– плотность мощности падающего излучения;
Figure 00000009
– длительность импульса излучения;
Figure 00000010
,
Figure 00000011
и
Figure 00000012
– коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоемкость подложки соответственно. Частицы, имеющие слабый тепловой контакт с поверхностью, нагреваются в большей степени.
Рассмотрим случай, когда находящиеся на поверхности частицы сцеплены с поверхностью подложки за счет сил Ван-дер-Ваальса, при этом ускорение, требующееся для отрыва частиц поперечником 3÷5 мкм, должно достигать
Figure 00000013
[Зимон А.Д. Адгезия пыли и порошков / А.Д. Зимон. – М.: Химия, 1976].
Нагревание системы частиц на поверхности приводит к тепловой десорбции молекул атмосферных газов, адсорбированных на частицах. В зазоре между частицей и поверхностью возникает газовая или парогазовая подушка, давление в которой определяется выражением [Чесноков, В.В. Лазерные наносекундные микротехнологии /В.В.Чесноков, Е.Ф.Резникова, Д.В.Чесноков; под общ. ред. Д.В.Чеснокова.– Новосибирск: СГГА, 2003.– 300 с.], справедливым в случае воздушной среды при плотном расположении молекул воздуха в адсорбированном мономолекулярном слое
Figure 00000014
где
Figure 00000015
– постоянная Больцмана;
Figure 00000016
– сечение адсорбированной молекулы;
Figure 00000017
– средняя величина зазора между частицей и поверхностью;
Figure 00000018
– изменение температуры частицы. При
Figure 00000019
 К,
Figure 00000020
м,
Figure 00000021
м2 (для молекул воздуха) получим
Figure 00000022
Па. За счет теплопроводности нагревается также среда, окружающая наночастицы, и локально увеличивается давление в среде; тепло среде передается от нагретой лазерным излучением подложки и наночастиц. В случае использования жидкой среды, например воды, при нагревании до критической температуры 374,2°С давление среды составляет 218,3 атм.
Ускорение, которое частица может приобрести под действием приложенного к ее поверхности, смежной с поверхностью подложки, давления газа, определяемое законом Ньютона, можно оценить формулой
Figure 00000023
и при поперечнике частицы
Figure 00000024
м, ее плотности
Figure 00000025
кг/м3, ускорение оказывается равным
Figure 00000026
. Эта величина больше, чем величина сил адгезии частицы к подложке и направлена на «отрыв» частицы от подложки. Перемещения частицы вдоль поверхности подложки происходят под действием градиента давления в атмосфере вблизи поверхности подложки, обусловленного неравномерным распределением по поверхности интенсивности лазерного излучения. При наличии «седлообразного» распределения при многократном повторении лазерных импульсов наночастицы скапливаются в области минимума интенсивности.Возможно также удаление наночастиц с поверхности подложки в области максимума интенсивности излучения, что также приводит к упорядочению наночастиц на поверхности, их расположению в местах минимумов интенсивности.
Для получения узора из наночастиц на поверхности в виде периодических расположенных полосок, заполненных наночастицами, и промежутков между полосками без наночастиц предлагается, в соответствии с изобретением, лазерное облучение производить, формируя на поверхности подложки с наночастицами двухлучевую интерференционную картину. Может быть применен известный способ формирования интерференционной картины, когда на поверхность направляют под равными углами падения навстречу друг другу два когерентных монохроматических лазерных луча. На поверхности образуется периодическая интерференционная картина с периодом
Figure 00000027
, где
Figure 00000028
- угол падения,
Figure 00000029
- длина волны лазерного излучения. Распределение интенсивности излучения в интерференционном поле описывается функцией
Figure 00000030
, условно изображенной на верхнем графике фигуры 1 плавной линией. Для получения узора из наночастиц на подложке в виде двумерной периодической картины, когда частицы располагаются в узлах квадратной сетки, может быть применено двукратное лазерное облучение, когда подложку перед вторым облучением разворачивают в своей плоскости на 90°, или используют формирование интерференционной картины по четырехлучевой интерференционной схеме, когда используют две пары лазерных лучей, расположенных попарно в пересекающихся плоскостях, перпендикулярных поверхности подложки.
При лазерном нагревании наночастиц и подложки температура во время импульса может, по расчетам, быть порядка 1000°С, возможно химическое взаимодействие атмосферы и наночастиц. Во многих случаях такое взаимодействие не желательно, для предотвращения химического взаимодействия предпочтительно использовать инертные среды или проводить процесс облучения в вакууме; по расчетам, атмосферы десорбированного во время лазерного импульса с поверхностей наночастиц и подложки газа достаточно - в случае использования наночастиц с размерами порядка десятков нанометров – для упорядочения их расположения в периодический узор.
Выбор предпочтительной длительности лазерных импульсов обусловлен тем, что в момент локального возникновения избыточного давления возникает в среде звуковая волна, распространяющаяся со скоростью, существенно большей скорости перемещения наночастиц, что может уменьшить время воздействия на частицу градиента давления, обеспечивающего движение частиц. Звуковая волна, возникшая в одной области максимума интенсивности, может достигнуть соседней области максимума и создаст давление на поверхность наночастицы, противоположное по направлению давлению на частицу в этой соседней области. Если длительность лазерного импульса меньше времени распространения звука до соседней области максимума, как предлагается, то частицы получат механический импульс и начнут движение раньше, чем звуковая волна от области соседнего максимума их встретит.
Движение наночастиц под действием механического импульса, индуцированного лазерным импульсом, может быть направлено от подложки. Для предотвращения эффекта предлагается лазерное облучение производить через вспомогательную прозрачную плоскую пластину, наложенную на поверхность подложки с наночастицами с зазором, превышающим величину поперечника наночастиц. Вспомогательная пластина играет двоякую роль: является экраном, отражающим частицы к подложке, а также обеспечивает локализацию перемещений волны давления, индуцированной лазерным импульсом, в узкой щели между поверхностями подложки и пластины, усиливает градиент давления по направлению вдоль поверхности подложки. Величина зазора не должна препятствовать свободному перемещению частиц в зазоре, предпочтительная его величина не более нескольких поперечников частиц. Зазор можно получить, располагая между подложкой и пластиной прокладки нужной толщины по периметру области облучения; приемлемо накладывать вспомогательную пластину непосредственно на подложку, при этом зазор обеспечивается как не плоскостностью пластины, так и толщиной слоя наночастиц в точках подложки, где частицы расположены друг на друге. Плотность расположения частиц в местах их накапливания при использовании вспомогательной пластины определяется их средней концентрацией на поверхности перед импульсным облучением, так как частицы при облучении не теряются.
Пример реализации способа
В качестве наночастиц используются шарообразные частицы из тугоплавких металлов типа молибдена, никеля, титана диаметром порядка 10 - 300 нм, тугоплавких полупроводников и диэлектриков типа кремния, карбида кремния, из пьезокерамики. Подложкой могут быть полированные пластины из кремния, лейкосапфира, стекла и др. Пригодно излучение любых импульсных лазеров на длинах волн видимого и ИК-диапазонов, с длительностью импульсов 1 – 6 нс и меньше, с частотой следования импульсов десятки – тысячи Гц. Интенсивность излучения на поверхности подложки должна быть в диапазоне
Figure 00000031
, при этом достигаются импульсные температуры наночастиц порядка
Figure 00000032
. При использовании при образовании двухлучевой интерференционной картины лазерного излучения с длиной волны 530 нм и угле падения
Figure 00000033
получим период одномерной решетки полосок 346 нм с шириной полосок, определяющейся поперечником наночастиц при выстраивании их в полоске в один ряд.
Таким образом, показано, что новые элементы в предложениях обеспечивают возникновение полезных эффектов; показана реализуемость изобретения, показана достижимость целей изобретения.
Техническим результатом изобретения является создание способа получения на поверхности диэлектрической или полупроводниковой подложки упорядоченного слоя наночастиц в виде одномерной решетки, составленной из рядов наночастиц.
Практическое применение изобретения может найти в фотонике и микро- и наноэлектронике как нелитографическая технология формирования наноточек с упорядоченным их расположением, в оптике и нанооптике при создании фотонных кристаллов, наноструктурированных оптических волноводов и сверхбыстродействующих приемников излучения и излучателей и др.

Claims (5)

1. Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки путем их перемещения с помощью лазерного облучения, отличающийся тем, что подложки с наночастицами на поверхности облучают многократно импульсами лазерного пучка с распределением интенсивности по облучаемой области, повторяющим необходимое расположение наночастиц, причём интенсивность в максимумах достаточна для возбуждения в них импульса избыточного давления в среде.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят, формируя на поверхности подложки с наночастицами двухлучевую интерференционную картину.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят, располагая наночастицы в атмосфере газа или жидкости, химически инертной к материалам наночастиц и подложки.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят импульсами с длительностью, меньшей времени распространения звука или ударной волны в среде на расстояние между минимумами интенсивности излучения.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что лазерное облучение производят через вспомогательную прозрачную плоскую пластину, наложенную на поверхность подложки с наночастицами с зазором, превышающим величину поперечника наночастиц.
RU2016150589A 2016-12-21 2016-12-21 Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки RU2646441C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150589A RU2646441C1 (ru) 2016-12-21 2016-12-21 Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016150589A RU2646441C1 (ru) 2016-12-21 2016-12-21 Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2646441C1 true RU2646441C1 (ru) 2018-03-05

Family

ID=61568853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016150589A RU2646441C1 (ru) 2016-12-21 2016-12-21 Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2646441C1 (ru)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024278A1 (en) * 1996-11-28 1998-06-04 National Research Council Of Canada Method and apparatus for manipulating molecules
US20090008833A1 (en) * 2005-11-29 2009-01-08 Sergei Nikolaevich Maximovsky Method for Forming Nano-Dimensional Clusters and Setting Ordered Structures Therefrom
WO2009097480A2 (en) * 2008-01-30 2009-08-06 The Regents Of The University Of California Near infra-red pulsed laser triggered drug release from hollow nanoshell disrupted vesicles and vesosomes
EP2272945B1 (en) * 2009-07-06 2014-09-10 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Method and system for the manipulation of cells
RU2545497C1 (ru) * 2014-01-09 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") Способ изготовления детекторов терагерцового диапазона

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998024278A1 (en) * 1996-11-28 1998-06-04 National Research Council Of Canada Method and apparatus for manipulating molecules
US20090008833A1 (en) * 2005-11-29 2009-01-08 Sergei Nikolaevich Maximovsky Method for Forming Nano-Dimensional Clusters and Setting Ordered Structures Therefrom
WO2009097480A2 (en) * 2008-01-30 2009-08-06 The Regents Of The University Of California Near infra-red pulsed laser triggered drug release from hollow nanoshell disrupted vesicles and vesosomes
EP2272945B1 (en) * 2009-07-06 2014-09-10 Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover Method and system for the manipulation of cells
RU2545497C1 (ru) * 2014-01-09 2015-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирская государственная геодезическая академия" (ФГБОУ ВПО "СГГА") Способ изготовления детекторов терагерцового диапазона

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. Parallel laser micro/nano‐processing for functional device fabrication
Wang et al. Laser machining fundamentals: micro, nano, atomic and close-to-atomic scales
Mücklich et al. Laser Interference Metallurgy–using interference as a tool for micro/nano structuring
WO2007084114A2 (en) System and method for processing nanowires with holographic optical tweezers
US9945032B2 (en) Systems and methods for enhancing mobility of atomic or molecular species on a substrate at reduced bulk temperature using acoustic waves, and structures formed using same
Ishino et al. Observations of surface modifications induced by the multiple pulse irradiation using a soft picosecond x-ray laser beam
JP6942073B2 (ja) 光学基板の平坦化
Henley et al. Laser implantation of plasmonic nanostructures into glass
JP4849375B2 (ja) 微粒子配列体薄膜及びその製造方法、並びに、微粒子配列体薄膜製造装置
CN111496384A (zh) 一种脆性材料表面纳米孔阵列的加工装置及方法
Tseng et al. Fabrication of plasmonic devices using femtosecond laser-induced forward transfer technique
Rehman et al. Fundamentals and advances in laser-induced transfer
Ivanova et al. Removal of micrometer size particles from surfaces using laser-induced thermocapillary flow: Experimental results
RU2646441C1 (ru) Способ упорядочения расположения наночастиц на поверхности подложки
KR100838344B1 (ko) 펄스 레이저를 이용한 나노입자 패터닝 방법
Hooper et al. Efficiency studies of particle removal with pulsed-laser induced plasma
An et al. Material removal on silicon towards atomic and close-to-atomic scale by infrared femtosecond laser
EP2342721B1 (en) Optical manipulation of micro-particles
RU2444084C1 (ru) Способ образования на подложке упорядоченного массива наноразмерных сфероидов
RU168081U1 (ru) Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии
Helvajian Process control in laser material processing for the micro and nanometer scale domains
RU2557677C1 (ru) Способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии
Mills et al. LIFT of Solid Films (Ceramics and Polymers)
Ulmeanu et al. Periodic arrays of nanostructures in silicon and gallium arsenide by near-field enhanced laser irradiation in liquid precursors
Emel'yanov et al. Theory of formation of an ensemble of nanoclusters on the surface of CdTe crystals irradiated by a laser pulse