RU2761426C2 - Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния - Google Patents
Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния Download PDFInfo
- Publication number
- RU2761426C2 RU2761426C2 RU2019144433A RU2019144433A RU2761426C2 RU 2761426 C2 RU2761426 C2 RU 2761426C2 RU 2019144433 A RU2019144433 A RU 2019144433A RU 2019144433 A RU2019144433 A RU 2019144433A RU 2761426 C2 RU2761426 C2 RU 2761426C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanodiamonds
- windows
- solution
- centers
- resist
- Prior art date
Links
- 239000002113 nanodiamond Substances 0.000 title claims abstract description 117
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 59
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 9
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 8
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims abstract description 13
- 239000002360 explosive Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 11
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 4
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 18
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 abstract description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 58
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 12
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 4
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 125000000896 monocarboxylic acid group Chemical group 0.000 description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 239000012062 aqueous buffer Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 1
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 1
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N n-[2-(1h-indol-3-yl)ethyl]-n-methylpropan-2-amine Chemical compound C1=CC=C2C(CCN(C)C(C)C)=CNC2=C1 KTQJVAJLJZIKKD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N propan-1-ol Chemical compound CCCO BDERNNFJNOPAEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)
- Materials For Photolithography (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Изобретение относится к технологии и способам размещения наноалмазов с NV-центрами на оптических структурах из Si3N4 и может быть использовано в будущих устройствах нанофотоники. Способ размещения наноалмазов на структурах из нитрида кремния включает покрытие защитным резистом с последующей электронной литографией для образования «окон», в которых должны размещаться наноалмазы. Раствор наноалмазов поддерживают до полного высыхания при постоянной температуре 20-24°С или при повышении температуры с 25°С до 70°С в течение 10-15 минут. После взрывной литографии наноалмазы остаются на месте «окон» на поверхности нитрида кремния. Технический результат: контролируемое размещение алмазов с NV-центрами в «окнах» с низкой вероятностью образования крупных агломератов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Description
Изобретение относится к технологии и способам размещения наноалмазов с NV-центрами на оптических структурах из Si3N4, и может быть использовано в различных устройствах нанофотоники, в частности для получения однофотонных источников.
Существует проблема нанесения наноалмазов, содержащих NV-центры на различные оптические структуры. Зачастую нанесение проходит с низкой вероятностью размещения NV-центров. Также существует проблема образования крупных агломератов наноалмазов.
Техническим результатом является интегрирование наноалмазов с оптическими структурами с малой вероятностью образования агломератов и высоким выходом годных.
СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ NV-ЦЕНТРОВ НА СТРУКТУРАХ ИЗ Si3N4
По результатам патентного поиска, проводимого по ключевым словам и рубрикам Международной патентной классификации (МПК) по странам: США, Россия, Япония, Европейское Сообщество на Web-сайтах стран поиска и патентного фонда Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, найдены следующие патенты.
Известны запатентованные способы изготовления различных растворов наноалмазов. Патентуются различные методы разделения наноалмазов в уже готовых растворах. Так, например, в международной заявке [WO 2009038850 A2 2009.10.22] упоминается возможность различного размещения NV-центров, создание NV-центра из размещенного наноалмаза, выращивание наноалмаза с последующим образованием NV-центра. Патент рассматривает выделение наиболее чистых наноалмазов для дальнейшей работы, а не их интеграцию.
Известен способ очистки раствора наноалмазов [Патент РФ 2003119416/15, 2003.06.26], но вопрос размещения наноалмазов в патенте не освещается. При размещении наноалмазов на образцах Si3N4 используются растворы наноалмазов достаточной степени очистки, поэтому в предлагаемом способе нанесения очистка раствора не включена.
Известен способ размещения наноалмазов с помощью кантелевера атомного силового микроскопа (ACM) [Deterministic integration of single nitrogen-vacancy centers into nanopatch antennas / Bogdanov, S.I. [и др.] [Электронный ресурс]. - URL: https://arxiv.org/abs/1902.05996]. Данный метод требует работы АСМ в контактном режиме и является сложным в исполнении. Технология не масштабируемая, время одного размещения наноалмаза может занимать несколько часов. Способ не подходит для создания больших массивов со строгой периодичностью.
Также известен способ, по которому водные растворы наноалмазов различной концентрации наносятся на образцы и для полного высыхания их оставляли на 6 часов [Robust, directed assembly of fluorescent nanodiamonds / Kianinia, M. [и др.] // Nanoscale. - 2016. - 8. - 18032.]. Образцы затем промывали деионизованной водой и сушили в азоте. Эта методика требует нецелесообразно большого количества времени - среднее время высыхания капли без горячей плиты около 1-2 часов. С использованием плиты процесс занимает несколько минут. За счет того, что по нашему методу на образцы наносят резист РММА 3%, то от лишних алмазов мы избавляемся взрывной литографией. Смывать водой алмазы нам не представляется необходимым. После взрывной литографии образцы также сушатся в N2.
Известен метод [Improving the electron spin properties of nitrogen-vacancy centres in nanodiamonds by near-field etching / Brandenburg, F. [и др.] // Sci Rep - 2018. - 8.], согласно которому раствор наноалмазов с присоединенной СООН группой, содержащий NV центры диаметром 50 нм (тот же раствор, что используется в нашей работе) для интеграции с образцами доводят до кипения. На силикатные образцы размером 2×2 см наносят смесь серной кислоты и пероксида водорода (1:1) при температуре 190°С на 15 мин. После наносят наноалмазы с помощью пипетки (объем капли точно не установлен). Образец помещают на плиту, разогретую до 160°С. Раствор закипает. Нами проводились сравнительные эксперименты с использованием кипящих растворов наноалмазов. Было опробовано две методики: первой было нанесение наноалмазов на образцы с последующим помещением на нагретую до 120-150°С плиту. В таком методе оказался значительный недостаток. Посторонние примеси, присутствовавшие в незначительных количествах в растворе, также подверглись воздействию высокой температуры и в последствии не покидали образец после взрывной литографии. Был также опробован метод нанесения наноалмазов на образец с последующим помещением на нагретую до 120-150°С плиту, при этом сверху удерживали другой образец. Было высказано предположение, что кипящий раствор будет выталкивать одиночные наноалмазы на расположенный сверху образец. Метод оказался недейственным - на расположенной сверху пластинке наноалмазы обнаружены не были.
Известен метод, в котором [High-yield fabrication and properties of 1.4 ran nanodiamonds with narrow size distribution / Stehlik, S. [и др.] // Scientific Reports. - 2016.] раствор наноалмазов помещается в ультразвук на 1 ч. После раствор ставят в центрифугу со скоростью вращения 14000 об/мин на 1 час. После этого 1 мл раствора помещают в пипетку и размещают на кремниевой подложке. Подложку кладут в ультразвук на 10 минут. Мы, помимо использования ультразвука в течение большего времени, не используем центрифугирование наноалмазов. Также на свои подложки (15 на 15 мм) мы наносим каплю раствора 20 мкл. В нашем методе не используется ультразвук для лучшей адгезии наноалмазов, поскольку технология с нагревательной плитой проще и более легко контролируема. Возможно, авторы наносили наноалмазы на всю структуру (судя по объему раствора), в таком случае ультразвук возможен к использованию. Для более тонких работ, где необходимо нанести наноалмазы только на нужную часть пластинки, более подходит наш метод.
Также известен метод повышения концентрации NV-центров в растворе наноалмазов [Enrichment of ODMR-active nitrogen-vacancy centres in five-nanometre-sized detonation-synthesized nanodiamonds: Nanoprobes for temperature, angle and position / Sotoma, S. [и др.] // Scientific Reports. - 2018.]. Авторы использовали коллоидный раствор наноалмазов, который был лиофилизован и затем разогрет до 800°С, где содержался в течении двух часов до получения NV-центров. Полученную смесь окислили при 425°С для удаления поверхностного графита. Таким образом, авторы смогли повысить предельную концентрацию NV-центров в растворе. В нашей работе концентрация NV-центров должна быть невысокой, так как нашей целью является получение однофотонного источника. Тем не менее, в некоторых случаях целесообразно применять лиофилизацию перед нанесением наноалмазов - например, если раствор содержит низкую концентрацию NV-центров.
Известен метод нанесения наноалмазов на образцы, покрытые слоем бензипрена [Ultrabright room-temperature single-photon emission from nanodiamond nitrogen-vacancy centers with sub-nanosecond excited-state lifetime. Conference on Lasers and Electro-Optics / Bogdanov, S. [и др.] // OSA Technical Digest. - 2018. - paper FTu4E.6.]. На образец на 10с помещают каплю раствора наноалмазов (диаметр наноалмазов в растворе примерно 20 нм), после чего очищают поверхность с помощью воды. Авторы предлагают делать то же самое с подложками, содержащими серебряное покрытие. Покрытие бензипреном обеспечивали путем помещения пластинок в соответствующий раствор на 5 минут. Наш метод отличается тем, что мы не смываем наноалмазы водой, так как таким образом можно потерять значительное их количество и уменьшить результативность процесса. Также в методе не используется бензипрен.
Также известен метод нанесения спиртового раствора наноалмазов с помощью ингалятора Omron U22 [Error corrected spin-state readout in a nanodiamond / Holzgrafe, J. [и др.] // Npj Quantum Information. - 2019. - 5. - c. 13.]. Такой метод позволяет добиться равномерного размещения наноалмазов на образце. При этом большая часть раствора может не попасть на «окна» или вообще на структуру. Таким образом уменьшается вероятность корректного размещения наноалмазов.
Известен способ нанесения раствора наноалмазов с помощью центрифуги на очищенную подложку [Monitoring spin coherence of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds during pH changes in aqueous buffer solutions. / Fujiwara, M. [и др.] // RSC Adv. - 2019. - 9. - c. 12606-12614.]. Центрифугирование, как и ультразвук, лучше подходит для покрытия больших массивов «окон», в то же время для точного нанесения наноалмазов более подходит метод нанесения в виде капли. Нанесение наноалмазов с помощью центрифуги ведет к меньшей вероятности попадания наноалмазов в «окна».
Ближайшим аналогом предлагаемого способа является метод нанесения наноалмазов, содержащих NV-центры [Джавадзаде, Д.Н., Комракова, С.А., Сорокин, В.Н. Детерминированное размещение наноалмазов, содержащих NV-центры. // 59-я Научной Конференция МФТИ, Москва, Россия. 2016 год. - Москва. - 2016.] авторы статьи использовали подложу из стекла, покрытую 5 нм слоем алюминия, на которую с помощью технологии центрифугирования наносился слой резиста РММА 3% толщиной 110 нм. Сушка осуществлялась на нагревательную плиту при температуре 150°С в течение 2 минут. Затем с помощью электронно-лучевой литографии был отрисован массив «окон» диаметром 200 нм. Засвеченные места были проявлены с помощью раствора IPA:Н2О (8:1). На подложку наносился раствор положительно заряженного полимерного «клея» и после 5 минут избыток клея удалялся водой. Раствор наноалмазов с присоединенной СООН-группой наносился на покрытую резистом пластину, образец оставляли на 30 минут. Излишек наноалмазов удалялся пропанолом, а затем производилась процедура взрывной литографии при помощи ацетона и сушки в азоте. Тонкий слой алюминия удалялся с помощью раствора KOH. Измерения доказали, что таким методом возможно разместить NV-центры на структурах. Недостаток метода состоит в том, что при удалении излишка наноалмазов, удаляются и наноалмазы, попавшие в окна. Кроме того, метод использует положительно заряженный «клей». Проводились исследования, подтвердившие, что наличие «клея» не влияет на адгезию наноалмазов к образцу.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка метода интеграции наноалмазов с оптическими структурами из Si3N4 с высокой вероятностью и степенью точности.
При создании изобретения была поставлена задача разработать метод, позволяющий получить одиночный наноалмаз с NV-центром и избежать образования крупных агломератов наноалмазов.
Поставленная задача была решена путем использования совместно таких методов, как помещение раствора наноалмазов в ультразвук, выпаривание водных растворов, взрывная литография. Схематически метод представлен на фиг. 1.
Также была поставлена задача интегрировать NV-центры с оптическими волноводами. Было необходимо выяснить, удовлетворяет метод такой задаче или нет. Был взят образец Si3N4 толщиной 200 нм, SiO2 толщиной 2 мкм на кремниевой подложке. В отрицательном электронном резисте ma-N 2403 были сделаны оптические структуры с волноводами 600 нм шириной. Оптические структуры были подвержены травлению в CHF3. На каждом из волноводов были сделаны окна в резисте диаметром 200 нм (5 окон на 1 волновод). Резист проявляли в растворе IPA:H2O 8:1. На структуры аналогичным способом, как и на массив окон, наносили водный раствор наноалмазов с присоединенной СООН-группой, предварительно в течение 3ч находившийся в ультразвуковой ванне для уменьшения количества крупных агломератов наноалмазов. Образец помещают на нагревательную плиту при 25-35°С. На образец наносят 20 мкл раствора наноалмазов. Нагревательную плиту переключают в режим нагрева до 70°С. После полного высыхания капли раствора образец снимают и с помощью взрывной литографии удаляют резист с излишками наноалмазов (фиг. 2). Данный метод характеризуется высокой скоростью выполнения, однако, существует риск припекания резиста вместе с излишками наноалмазов к структуре. В таком случае дальнейшая взрывная литография неосуществима, получить какие-либо результаты невозможно.
В результате серии экспериментов в места, на которых выпаренная капля раствора совпадала с оптическими волноводами, вероятность интеграции малых агломератов оказалось большой (30-40%). Наноалмазы остаются только в окнах. Из-за гидрофобной поверхности пластины, покрывать всю ее площадь раствором нецелесообразно. Таким образом, необходимо размещать каплю точно в те места, где расположены окна в резисте.
Поставленная задача была также решена с помощью увеличения числа окон при низкой концентрации NV-центров в растворе. Вероятность заполнения окон одиночными NV-центрами возрастает.
При размещении наноалмазов с помощью данного способа необходимо руководствоваться практическими целями. Так, если необходимо точное нанесение наноалмазов на конкретные оптические структуры, такие как, например, волноводы, способ следуют осуществлять в соответствии с описанием выше. Предлагается также использовать сразу после нанесения капли раствора наноалмазов раствор изопропанола. Изопропанол обладает лучшей адгезией к подложке и позволяет раствору наноалмазов распространиться по всей площади образца. Данный метод подходит для случаев, когда необходимо разместить наноалмазы на большое количество распространенных по всей подложке структур, наноалмазы заполняют при этом 30-40% «окон» массива.
Лучший вариант осуществления изобретения
Процесс интеграции наноалмазов осуществим способом, согласно изобретению. Для интеграции наноалмазов используют кремниевые подложки, покрытые слоем оксида кремния и слоем нитрида кремния. Образцы покрывают электронным позитивным резистом РММА 3% методом центрифугирования на скорости 5000 об/мин. Образец сушат на нагревательной плите в течение 2 мин при температуре 150°С. В резисте с помощью электронного литографа (Электронный микроскоп Jeol, ток 5пА, ускоряющее напряжение 30В, дозы n=200) делают массив из 625 круглых окон диаметром 200 нм. Резист проявляют с помощью IPA:H2O (8:1) 20 с, реакцию останавливают погружением в IPA на 2 мин. Для того, чтобы алмазы наносились как можно более эффективно, необходимо уменьшить количество агломератов в растворе, для чего водный раствор наноалмазов (50 NV) с присоединенной СООН-группой помещают в ультразвуковую ванну на 2-3 ч (стараются не допускать перегрева воды в ультразвуке, для чего возможно использование фриз-пакетов; рекомендуемая температура воды - менее 50°С. Высокая температура воды в ультразвуковой ванне может привести к перегреву раствора и, напротив, большей агломерации алмазов). Раствор можно также подвергнуть лиофилизации, однако, существенной разницы в результате это не дает. Одноканальной автоматической пипеткой набирают 15-20 мкл (в зависимости от размера образца) раствора наноалмазов (50 NV). Для минимизации количества инородных частиц в растворе пипетку необходимо обдуть азотом перед применением. Раствор наносят на ту часть образца, на которой расположены окна (ориентироваться по знакам на образце или по геометрическому расположению). Образец помещают в нагретую до 25-30°С плиту. Образец подвергают медленному нагреву до 60-70°С до полного испарения капли раствора. Если испарение не произошло при температуре 70°С, то дальнейший нагрев не осуществляют, ожидают испарения при данной температуре. После испарения раствора образец подвергнуть взрывной литографии с применением ацентона и изопропанола.
Следует отметить, что при повышении температуры нагрева плиты существует вероятность, что наноалмазы плотно прикрепятся к образцу и отделить их агломераты, вместе с инородными частицами из раствора, становится затруднительным, если использовать взрывную литографию. В связи с этим, авторы сочли целесообразным ограничить максимальную температуру нагрева плиты 70°С.
Также существует вариант выполнения способа, при котором вместо плавного нагрева до 70°С предлагается поддерживать постоянную температуру нагревательной плиты 20-24°С в течение 2-3 часов до полного испарения капли раствора наноалмазов. После взрывной литографии таким образом удаляются все излишки наноалмазов, крупные агломераты и резист в местах без «окон».
Были проведены исследования по интеграции наноалмазов с использованием изопропанола. В его присутствии, с одной стороны, увеличивался радиус покрытия образца раствором, за счет чего можно было разместить большее количество наноалмазов в окна. При этом уменьшались возможности к контролю распространения раствора, в связи с чем покрытие раствором образца хоть и становилось больше, но раствор мог не попасть в окна в резисте. Способ размещения с использованием 20 мкл изопропанола, наносимого на образец после нанесения раствора наноалмазов, подходит для случаев, когда необходимо покрыть раствором большой массив окон.
Согласно изобретению данный метод позволяет достичь нескольких эффектов: уменьшение количества крупных агломератов наноалмазов, увеличение вероятности интеграции наноалмазов с различными оптическими структурами, возможность использования интегрированных наноалмазов в качестве однофотонных источников, уменьшение количества затраченного на интеграцию времени, уменьшение количества затраченных материалов (избегание в использовании «клея»), вследствие - удешевление процесса производства оптических структур.
Настоящее изобретение может быть проиллюстрировано примерами оптических волноводов с дифракционными решетчатыми элементами связи с нанесенными на них наноалмазами посредством данной технологии (фиг. 3). Судя по результатам, определенное количество малых агломератов наноалмазов удается разместить по данной технологии в тех местах, где это необходимо, избегая излишков наноалмазов и остатков раствора в других местах.
Для сравнения были проведены исследования по интеграции наноалмазов с использованием позитивно заряженного «клея» и без него. На интеграцию наноалмазов наличие «клея» не влияло ни в положительную, ни в отрицательную сторону. В результате было принято решение отказаться от его использования.
Были проведены исследования по интеграции наноалмазов как с окнами в резисте на образце без оптических структур, так и с наличием таковых. Результаты оказались неоднозначными. С одной стороны, из пяти окон на волноводах наноалмазы крупных размеров (агломераты наноалмазов) оказывались только в одном-двух окнах (стабильно), в массивах же из большого количества окон (больше сотни) покрытыми крупными алмазными образованиями были больше, чем 70% окон. Однако, данные, полученные с помощью оптического микроскопа, как и данные с атомного силового микроскопа не дают представления о наличии одиночных наноалмазов и NV-центров.
Промышленная применимость
Данным способом, согласно изобретению, получают однофотонные источники, в том числе интегрированные с различными оптическими структурами.
Наноалмазы с NV-центрами могут быть использованы, как источники однофотонного излучения. В таком случае необходимо, чтобы на одну структуру приходился один наноалмаз с NV-центром. Так, отличным результатом было бы размещение наноалмазов с NV-центрами в окнах с вероятностью 100%. Данным методом возможно получить стабильный процент 20-30% размещенных наноалмазов, что также хорошо подходит для применения в качестве однофотонного источника.
Для производства различных оптических систем с использованием одиночных однофотонных источников и оптических волноводов описанный метод также хорошо применим.
Claims (3)
1. Способ размещения наноалмазов с NV-центрами на поверхности кремниевой подложки, покрытой слоем оксида кремния и слоем нитрида кремния, в виде упорядоченного массива с малым размером агломератов наноалмазов, отличающийся тем, что перед нанесением раствора наноалмазов на поверхности нитрида кремния наносится слой позитивного резиста РММА 3%, в котором методом электронно-лучевой литографии формируется массив «окон» (отверстий) в резисте диаметром 200 нм, поверх которого наносится раствор наноалмазов, содержащих NV-центры, в виде капли, распределенной по поверхности пластины, в области сформированных «окон», которая, растекаясь, заполняет раствором наноалмазов «окна» в резисте, попавшие в «окна» наноалмазы остаются на поверхности нитрида кремния, а наноалмазы, не попавшие в «окна», остаются на поверхности слоя резиста, при этом количество агломератов, оставшихся на поверхности, определяется степенью однородности раствора и диаметром «окон» в резисте, сама жидкость раствора испаряется с поверхности пластины путем медленного нагрева пластины на нагревательной плите от 25°С до 70°С до полного испарения капли, то есть в течение 10-15 минут.
2. Способ размещения наноалмазов с NV-центрами по п. 1, отличающийся тем, что пластина с нанесенным на нее раствором наноалмазов поддерживается при постоянной температуре 20-24°С в течение 2-3 часов до полного испарения капли, после чего при взрывной литографии остатки наноалмазов и резиста в местах без «окон» полностью удаляются.
3. Способ размещения наноалмазов с NV-центрами по п. 1, отличающийся тем, что после нанесения капли раствора наноалмазов на образец с проявленными «окнами», сверху наносят 20 мкл изопропанола, достигая большего распространения капли в связи с лучшей адгезией к подложке.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144433A RU2761426C2 (ru) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019144433A RU2761426C2 (ru) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2019144433A3 RU2019144433A3 (ru) | 2021-06-29 |
RU2019144433A RU2019144433A (ru) | 2021-06-29 |
RU2761426C2 true RU2761426C2 (ru) | 2021-12-08 |
Family
ID=76742359
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019144433A RU2761426C2 (ru) | 2019-12-27 | 2019-12-27 | Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2761426C2 (ru) |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20060089675A (ko) * | 2005-02-04 | 2006-08-09 | 야마하 가부시키가이샤 | 필드 산화막을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법 |
US20100147369A1 (en) * | 2008-12-12 | 2010-06-17 | Chien-Min Sung | Solar cell having nanodiamond quantum wells |
RU2455724C1 (ru) * | 2010-11-13 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий |
JP5429643B2 (ja) * | 2008-07-01 | 2014-02-26 | 日本電気株式会社 | グラフェン・グラファイト膜を用いる半導体装置及びその製造方法 |
RU2565328C1 (ru) * | 2011-08-31 | 2015-10-20 | Асахи Касеи И-Матириалс Корпорейшн | Подложка для оптической системы и полупроводниковое светоизлучающее устройство |
US20160233825A1 (en) * | 2013-09-23 | 2016-08-11 | Arkema Inc. | Nanodiamond coatings for solar cells |
WO2017191370A1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | Aalto University Foundation Sr. | Method for co-depositing detonation nanodiamonds and diamond-like carbon onto a substrate and composite films comprising detonation nanodiamonds and diamond-like carbon |
US10211049B2 (en) * | 2015-08-07 | 2019-02-19 | North Carolina State University | Synthesis and processing of pure and NV nanodiamonds and other nanostructures |
RU2685665C1 (ru) * | 2017-11-17 | 2019-04-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ получения тонких алмазных пленок |
-
2019
- 2019-12-27 RU RU2019144433A patent/RU2761426C2/ru active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20060089675A (ko) * | 2005-02-04 | 2006-08-09 | 야마하 가부시키가이샤 | 필드 산화막을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법 |
JP5429643B2 (ja) * | 2008-07-01 | 2014-02-26 | 日本電気株式会社 | グラフェン・グラファイト膜を用いる半導体装置及びその製造方法 |
US20100147369A1 (en) * | 2008-12-12 | 2010-06-17 | Chien-Min Sung | Solar cell having nanodiamond quantum wells |
RU2455724C1 (ru) * | 2010-11-13 | 2012-07-10 | Открытое акционерное общество "НИИ молекулярной электроники и завод "Микрон" | Структура и способ изготовления интегральных автоэмиссионных элементов с эмиттерами на основе наноалмазных покрытий |
RU2565328C1 (ru) * | 2011-08-31 | 2015-10-20 | Асахи Касеи И-Матириалс Корпорейшн | Подложка для оптической системы и полупроводниковое светоизлучающее устройство |
US20160233825A1 (en) * | 2013-09-23 | 2016-08-11 | Arkema Inc. | Nanodiamond coatings for solar cells |
US10211049B2 (en) * | 2015-08-07 | 2019-02-19 | North Carolina State University | Synthesis and processing of pure and NV nanodiamonds and other nanostructures |
WO2017191370A1 (en) * | 2016-05-06 | 2017-11-09 | Aalto University Foundation Sr. | Method for co-depositing detonation nanodiamonds and diamond-like carbon onto a substrate and composite films comprising detonation nanodiamonds and diamond-like carbon |
RU2685665C1 (ru) * | 2017-11-17 | 2019-04-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет" | Способ получения тонких алмазных пленок |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2019144433A3 (ru) | 2021-06-29 |
RU2019144433A (ru) | 2021-06-29 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11598905B2 (en) | Inverted nanocone structure for optical device and method of producing the same | |
US20190310200A1 (en) | Surface-Enhanced Raman Scattering Substrate, Element for Detecting Molecule Including the Same, and Method for Manufacturing the Same | |
US20100075114A1 (en) | Mold for optical element, having nanostructure, mold for nanostructure, method for manufacturing the mold, and optical element | |
JP5438330B2 (ja) | 質量分析法に用いられる試料ターゲットおよびその製造方法、並びに当該試料ターゲットを用いた質量分析装置 | |
US8523555B2 (en) | Apparatus comprising substrate and conductive layer | |
KR20100127850A (ko) | 지지 부재상에 매달린 초박형 시이트의 형성 방법 | |
US11592462B2 (en) | Diamond probe hosting an atomic sized defect | |
CN107857236A (zh) | 一种高深宽比高保形纳米级负型结构的制备方法 | |
RU2761426C2 (ru) | Способ размещения наноалмазов с nv-центрами на нитриде кремния | |
US5935454A (en) | Ultrafine fabrication method | |
JP5619458B2 (ja) | レジストパターンの形成方法及びモールドの製造方法 | |
US9332651B2 (en) | Process for producing structure with metal film, mother die for use in the process, and structure produced by the process | |
KR100770196B1 (ko) | 전사마스크용 기판, 전사마스크 및 전사마스크의 제조방법 | |
US7635437B2 (en) | Method of manufacturing near field light generation element | |
JP5343378B2 (ja) | ステンシルマスクおよびその製造方法 | |
CN114481043B (zh) | 一种大面积纳米盘的制备方法 | |
KR101977457B1 (ko) | 나노포어 형성방법 | |
WO2004003931A1 (ja) | 光ファイバープローブの製造方法と微細材料加工方法 | |
US7408179B2 (en) | Transition radiation apparatus and method therefor | |
JP3844678B2 (ja) | 微細パタン形成法 | |
WO2023094673A1 (en) | Fabrication method for a thin-film layer on a substrate | |
JP2011215242A (ja) | レジストパターンの形成方法及びモールドの製造方法 | |
JP2899542B2 (ja) | 転写マスクの製造方法 | |
US20200033656A1 (en) | Method for forming pattern for liquid crystal orientation of zenithal bi-stable liquid crystal panel, liquid crystal orientation substrate including pattern formed thereby, and mask substrate used for forming pattern | |
JP2000321756A (ja) | エバネッセント光露光用マスク、エバネッセント光露光装置、デバイスの製造方法および前記エバネッセント光露光用マスクの製造方法 |