RU2780946C1 - Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии - Google Patents
Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии Download PDFInfo
- Publication number
- RU2780946C1 RU2780946C1 RU2021133705A RU2021133705A RU2780946C1 RU 2780946 C1 RU2780946 C1 RU 2780946C1 RU 2021133705 A RU2021133705 A RU 2021133705A RU 2021133705 A RU2021133705 A RU 2021133705A RU 2780946 C1 RU2780946 C1 RU 2780946C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dielectric
- dielectric substrate
- structures
- nanostructuring
- field
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 25
- 238000001459 lithography Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 15
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 claims description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 2
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 2
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 2
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000001624 Hip Anatomy 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 208000000143 Urethritis Diseases 0.000 description 1
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic Effects 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 230000001404 mediated Effects 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic Effects 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 1
- 238000001890 transfection Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к устройствам лазерного наноструктурирования поверхности с использованием массива упорядоченных диэлектрических мезомасштабных фокусирующих устройств, формирующих максимумы распределения интенсивности лазерного поля, где происходит формирование структур с масштабами, меньшими длины волны исходного используемого излучения, и может быть использовано для создания материалов с новыми свойствами и представляет собой устройство обработки поверхности твердого материала с получением на этой поверхности структур с чешуйками субмикронной толщины и микронными размерами и/или с субмикронными трещинами и щелями между упомянутыми чешуйками и/или участками поверхности с характерными субмикронными перепадами по высоте рельефа. Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии, обеспечивающего расширенный набор структур в виде колец или параллельной сетки. Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении качества наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки. 2 ил.
Description
Изобретение относится к устройствам лазерного наноструктурирования поверхности с использованием массива упорядоченных диэлектрических мезомасштабных фокусирующих устройств, формирующих максимумы распределения интенсивности лазерного поля, где происходит формирование структур с масштабами, меньшими длины волны исходного используемого излучения и может быть использовано для создания материалов с новыми свойствами и представляет собой устройство обработки поверхности твердого материала с получением на этой поверхности структур с чешуйками субмикронной толщины и микронными размерами и/или с субмикронными трещинами и щелями между упомянутыми чешуйками и/или участками поверхности с характерными субмикронными перепадами по высоте рельефа.
Упорядоченные и неупорядоченные ансамбли наноструктур являются новыми, искусственно созданными материалами, широкий круг применения которых связан с их уникальными свойствами.
Наноструктурирование поверхности приводит к улучшению электрических, тепловых, электронно-эмиссионных и излучательных свойств материалов, повышению биосовместимости с живыми тканями имплантантов и протезов, применяемых в ортопедии и стоматологии. Оно находит применение в микроэлектронике для записи информации со сверхвысокой плотностью, в нанофотонике для разработки светоизлучающих устройств, в спектроскопии, в водородной энергетике для развития площади поверхности и повышения каталитических свойств границы раздела электролитической мембраны с электродами в вырабатывающем ток топливном элементе.
Известно устройство по способу формирования наноструктур на поверхности твердых тел с использованием лазерных импульсов с длительностью несколько фемтосекунд и подобранной соответствующим образом плоскости поляризации излучения [Patent WO 2007/012215 A1, опубл. 01.02.2007]. В результате такого воздействия на обрабатываемых поверхностях возникают рельефы в виде сетки или муаровых полос, которые обладают гидрофобными либо гидрофильными свойствами.
Недостаток этого устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде сетки или муаровых полос. При этом нельзя получить рельефы с периодом менее половины длины волны падающего на материал лазерного излучения.
При создании массива структур сразу на больших поверхностях наноструктурирование с помощью лазеров имеет существенные преимущества по сравнению с электронными пучками, которые предпочтительны при создании отдельных нанообъектов на поверхности твердого тела. Известны два основных подхода к лазерному наноструктурированию поверхности на больших площадях, это использование интерференции лазерных пучков и структурирование с помощью ближнепольных масок, то есть масок, работающих в ближней зоне дифракции. Если речь идет о модификации поверхности твердого тела с помощью фемтосекундных лазерных импульсов, то второй подход оказывается предпочтительнее, поскольку такие импульсы плохо интерферируют на больших площадях. Простейшим видом ближнепольной маски является слой диэлектрических микрочастиц (микросфер). Обычно такой слой наносится на поверхность материала из коллоидного раствора и образует плотнейшую упаковку в результате процесса самоорганизации. Слои коллоидных частиц, нанесенные на поверхность твердого тела, используются для наноструктурирования поверхности с помощью лазерного излучения. Описанию устройств наномодификации поверхности посвящен ряд работ, опубликованных в литературе, например [Wu W., Katsnelson A., Memis O.G., and Mohseni H. Nanotechnology 18, 485302 (2007); Khan A., Wang Z.B., Sheikh M.A., Whitehead D.J., and Li L. Appl. Surf. Sci. 258, 774 (2011); Chong T.C., Hong M.H., and Shi L.P. Laser Photon. Rev. 4, 123 (2010); Pikulin A., Bityurin N., Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 91, 191106 (2007); Pikulin A., Afanasiev A., Agareva N., Alexandrov A.P., Bredikhin V., and Bityurin N. Optics Express 20, 9052, (2012); Битюрин H.M. Квантовая электроника, 40, 955 (2010), заявка US 20030129545, Method and apparatus for use of plasmon printing in near-field lithography, МПК G03F 7/00, B82Y, опубл. 10.07.2003, патент РФ № 2557677, МПК: G03F 7/20 G03F 7/00 B82Y 40/00]. В данных работах в качестве фокусирующих микролинз используются прозрачные для зондирующего излучения сферические микрочастицы.
Известно устройство лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, изложенное в работе [Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, B.S. Luk'yanchuk, JETP Letters 72, 457 (2000); Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006)]. Устройство состоит из диэлектрической подложки, на которой размещена ближнепольная маска в виде слоя из кварцевых шариков диаметром 2λ, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения, получая упорядоченную структуру рельефа на диэлектрической подложке.
Недостатком данного устройства является сложность устройства, связанная с тем фактом, что фокусирующее устройство формирует ограниченный набор структур в виде набора «точек».
Из технической литературы известно, что диэлектрические микросферы с диаметром более λ, где λ - длина волны используемого излучения, изготовленные из материала с коэффициентом преломления, находящегося в диапазоне от 1,2 до 1,8, формируют область фокусировки поля вблизи поверхности микросферы (фотонную струю) с поперечными размерами менее дифракционного предела [Frantisek Kundracik, Miroslav Kocifaj, Gorden Videen, and Jozef Klacka. Effect of charged-particle surface excitations on near-field optics // Applied Optics, Vol. 54, Issue 22. pp. 6674-6681 (2015); Hasan, M., & Simpson, J. (2013). Photonic nanojet-enhanced nanometer-scale germanium photodiode. Applied Optics, 52, 5420; Xiaofeng Fan, Weitao Zheng and David J Singh. Light scattering and surface plasmons on small spherical particles // Light: Science & Applications (2014) 3, e179; doi:10.1038/lsa.2014.60; PIN-YI LI et al. Unusual imaging properties of superresolution microspheres // Optics Express, 2016 http://dx.doi.org/10.1364/ OE.24.016479: Hui Yang, Raphael Trouillon, Gergely Huszka, and Martin A.M. Gijs. Super- resolution imaging of a dielectric microsphere is governed by the waist of its photonic nanojet // Nano Lett, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01255; Nikita Arnold. Influence of the substrate, metal overlayer and lattice neighbors on the focusing properties of colloidal microspheres // Appl Phys A (2008) 92: 1005-1012; N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, Shishkin, R.A. Akhmedzhanov, E.N. Gorshkova. Surface nanostructuring by bichromatic femtosecond laser pulses through a colloidal particle array // Quantum Electronics 44 (6) 556-562 (2014); Terakawa, M., & Tanaka, Y. (2011). Dielectric microsphere mediated transfection using a femtosecond laser. Optics Letters, 36, 2877-2879; Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016].
Известно, что в качестве фокусирующих диэлектрических устройств могут использоваться мезоразмерные частицы с различной формой поверхности, не обладающие осевой симметрией (куб, пирамида, усеченная пирамида, правильный шестиугольник и т.д) с характерными размерами не менее λ, например, [Igor Minin, Oleg Minin. Diffractive optics and nanophotonics: Resolution below the diffraction limit, Springer, 2016; V. Pacheco-Pena, M. Beruete, I.V. Minin, O.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); I.V. Minin and O.V. Minin. Photonics of isolated dielectric particles of arbitrary 3d shape - a new direction of optical information technologies // Vestnik NGU, v. 12, N. 4, 59-70 (2014) http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717?show= full&locale-attribute=en: V. Pacheco-Pena , M. Beruete, I.V. Minin, and O.V. Minin. Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets // Optics Letters Vol. 40, Iss. 2, 245-248 (2015); I.V. Minin, O.V. Minin, Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP), May 2015 DOI: 10.1002/andp.201500132]. Такие фокусирующие устройства формируют одиночную фотонную струю и обеспечивают пространственное разрешение, превышающее дифракционный предел. В случае одиночной осесимметричной диэлектрической мезоразмерной частицы, например, сферы формируется область фокусировки в виде одиночной «точки». В случае одиночной не осесимметричной диэлектрической мезоразмерной частицы, например, цилиндра, при его облучении со стороны боковой поверхности формируется область фокусировки в виде одиночного прямого отрезка.
Недостаток данного устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде «точек» или сетки.
В качестве прототипа выбрано устройство лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии по патенту РФ 168081. Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, состоит из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, при этом диэлектрические фокусирующие устройства выполнены в форме мезоразмерных частичек с характерным размером не менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения и с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7.
Недостаток данного устройства заключается в получении ограниченного набора структур в виде «точек» или сетки.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка устройства получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии, обеспечивающего расширенный набор структур в виде колец или параллельной сетки.
Технический результат заключается в упрощении устройства и повышении качества наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки.
Поставленная задача достигается тем, что устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии состоит из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц с характерным размером менее λ/2, где λ - длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения и с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7 и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, новым является то, что на теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства, выполнена коническая выемка обращенная своим основанием к диэлектрической подложке.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведены результаты моделирования сравнения формирования фотонной струи диэлектрическими фокусирующими устройствами в форме: а - сферы диаметром 9λ и с относительным показателем преломления равного 1,4; б - сферы диаметром 9λ и с относительным показателем преломления равного 1,6; в - усеченного цилиндра диаметром 7λ и с относительным показателем преломления равного 1,6 с конической выемкой.
На Фиг. 2 представлен вариант принципиальной схемы предлагаемого устройства.
Обозначения: 1 - лазерное излучение, 2 - диэлектрические фокусирующие устройства, образующие ближнепольную маску 3, 4 - фотонная струя, 5 - диэлектрическая подложка.
Устройство работает следующим образом. На диэлектрической подложке 5 размещаются диэлектрические фокусирующие устройства 2 в виде диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц на теневой поверхности которых выполнена коническая выемка, образующие в совокупности ближнепольную маску 3. При этом коническая выемка своим основанием обращена к поверхности диэлектрической подложки 5. При облучении их лазерным излучением 1 формируются фотонные струи 4 непосредственно у теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства 2. При использовании диэлектрических мезоразмерных частиц в зависимости от их формы могут формироваться фотонные струи в форме кольца или параллельных линий.
Структурирование происходит под теневой поверхностью диэлектрических мезоразмерных частиц непосредственно материала подложки 5 в зависимости от условий в форме выпуклых образований или впадин, например, в зависимости от материала облучаемой подложки.
В результате проведенных исследований было установлено, что локализация поля типа «фотонная струя» у диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - сфера, усеченная сфера, цилиндр, усеченный цилиндр начинается с размера грани порядка длины волны используемого излучения. Для характерных размеров диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства менее λ/2 «фотонная струя» не формируется.
Для диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - сфера, усеченная сфера формируется фотонная струя в виде кольца.
Для диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства в форме - цилиндр, усеченный цилиндр формируется фотонная струя в виде двух параллельных отрезков.
В результате проведенных исследований было установлено, что при коэффициенте преломления материя диэлектрического мезоразмерного фокусирующего устройства менее, примерно, 1,2 ширина формируемой фотонной струи становится более дифракционного предела, при коэффициенте преломления более 1,7 фотонная струя формируется внутри диэлектрического фокусирующего устройства.
Диэлектрические фокусирующие устройства могут быть выполнены, например, из полистирола, кварца и т.д.
Таким образом, авторами доказано, что использование диэлектрических фокусирующих устройств в ближнепольной маске в форме диэлектрических мезоразмерных частиц, теневая поверхность которых обращена к поверхности диэлектрической подложки и на теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства выполнена коническая выемка, обращенная своим основанием к диэлектрической подложке обеспечивает расширенный набор структур в виде колец или параллельной сетки.
Claims (1)
- Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, состоящее из диэлектрической подложки, на поверхности которой размещена ближнепольная маска в виде слоя диэлектрических фокусирующих устройств в форме мезоразмерных частиц с характерным размером менее /2, где – длина волны облучающего ближнепольную маску лазерного излучения, и с коэффициентом преломления материала, лежащего в диапазоне от 1,2 до 1,7, и лазера, облучающего лазерным излучением слой диэлектрических фокусирующих устройств с формированием упорядоченной структуры рельефа на диэлектрической подложке, отличающееся тем, что на теневой поверхности диэлектрического фокусирующего устройства выполнена коническая выемка, обращенная своим основанием к диэлектрической подложке.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2780946C1 true RU2780946C1 (ru) | 2022-10-04 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000250200A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-14 | Hitachi Ltd | リソグラフィーマスク |
RU168081U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000250200A (ja) * | 1999-03-04 | 2000-09-14 | Hitachi Ltd | リソグラフィーマスク |
RU168081U1 (ru) * | 2016-09-14 | 2017-01-17 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Piglmayer et al. | Laser-induced surface patterning by means of microspheres | |
Li et al. | Laser nano-manufacturing–state of the art and challenges | |
Mücklich et al. | Laser Interference Metallurgy–using interference as a tool for micro/nano structuring | |
Barmina et al. | Generation of nanostructures on metals by laser ablation in liquids: new results | |
Lu et al. | Marangoni effect in nanosphere-enhanced laser nanopatterning of silicon | |
Zhou et al. | Direct femtosecond laser nanopatterning of glass substrate by particle-assisted near-field enhancement | |
Brodoceanu et al. | Fabrication of silicon nanowire arrays by near-field laser ablation and metal-assisted chemical etching | |
Pena et al. | Direct writing of micro/nano-scale patterns by means of particle lens arrays scanned by a focused diode pumped Nd: YVO 4 laser | |
Ali et al. | Review of laser nanomachining | |
Mikolutskiy et al. | Formation of various types of nanostructures on germanium surface by nanosecond laser pulses | |
Li et al. | Large-area laser nano-texturing with user-defined patterns | |
Lin et al. | Microsphere femtosecond laser sub-50 nm structuring in far field via non-linear absorption | |
Garcell et al. | Comparative study of femtosecond laser-induced structural colorization in water and air | |
RU2780946C1 (ru) | Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии | |
Wu et al. | Substrate effect of laser surface sub-micro patterning by means of self-assembly SiO2 microsphere array | |
RU168081U1 (ru) | Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии | |
Park et al. | Direct fabrication of micropatterns and three-dimensional structures using nanoreplication-printing (nRP) process | |
RU195551U1 (ru) | Устройство наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии | |
Afanasiev et al. | Edge effect at the microsphere colloidal array in near-field particle lithography on polymer surfaces | |
RU2557677C1 (ru) | Способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии | |
Domonkos et al. | Controlled structuring of self-assembled polystyrene microsphere arrays by two different plasma systems | |
Boneberg et al. | Optical Nanostructuring by Near-Field Laser Ablation | |
Zhou et al. | Enhanced photonic nanojets for submicron patterning | |
Ulmeanu et al. | Silicon bump arrays by near-field enhanced femtosecond laser irradiation in fluorine liquid precursors | |
Kolloch et al. | Structural study of near-field ablation close to plasmon-resonant nanotriangles |