RU2557677C1 - Method for nanopatterning surface of dielectric substrate using near-field lithography - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method includes forming a near-field mask on the surface of a dielectric substrate and irradiating the obtained structure with a femtosecond laser pulse. The laser radiation is first passed through a nonlinear optical crystal with a coefficient of transformation into a second harmonic equal to 5-7%. The dielectric substrate coated with the near-field mask is irradiated with the obtained bichromatic femtosecond pulse with energy density in the range of 25-40 mJ/cm², which is less than the laser radiation energy density normally used in similar nanopatterning.

EFFECT: high resolution and low laser radiation energy consumption.

6 dwg

Description

Изобретение относится к способам лазерного наноструктурирования поверхности с использованием массива упорядоченных собирающих микроскопических линз (диэлектрических шариков микронного размера), формирующих максимумы распределения интенсивности лазерного поля, где происходит формирование структур с масштабами, меньшими длины волны исходно используемого излучения. Указанный способ может быть применен для создания упорядоченных структур на поверхности диэлектрических подложек большой площади за один импульс лазерного излучения. Изготовленные элементы с упомянутыми структурами могут быть использованы для нанометрологии, фильтрации, записи и преобразования оптических сигналов, текстурирования материалов, в качестве подложек при каталитических процессах.The invention relates to methods for laser nanostructuring of a surface using an array of ordered collecting microscopic lenses (micron-sized dielectric balls) that form maxima of the intensity distribution of the laser field, where structures are formed with scales smaller than the wavelength of the originally used radiation. The specified method can be applied to create ordered structures on the surface of dielectric substrates of a large area in one pulse of laser radiation. The fabricated elements with the mentioned structures can be used for nanometrology, filtration, recording and conversion of optical signals, texturing of materials, as substrates for catalytic processes.

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 предпочтительным, поскольку такие импульсы плохо интерферируют на больших площадях. Простейшим видом ближнепольной маски является слой диэлектрических микрочастиц (микролинз). 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. Этому способу наномодификации поверхности (иногда его называют лазерной наносферной литографией) посвящен ряд работ, опубликованных в литературе [1-5], в том числе и с участием авторов предлагаемого изобретения [6-9].When creating an array of structures immediately on large surfaces, nanostructuring using lasers has significant advantages over electron beams, which are preferable when creating separate nano-objects on the surface of a solid. Two main approaches to laser nanostructuring of a surface over large areas are known: the use of laser beam interference and structuring using near-field masks, i.e. masks operating in the near diffraction zone. If we are talking about modifying the surface of a solid using femtosecond laser pulses, then the second approach is preferable, since such pulses do not interfere well over large areas. The simplest type of near-field mask is a layer of dielectric microparticles (microlenses). Typically, such a layer is applied to the surface of a material from a colloidal solution and forms a tight packing as a result of the self-organization process. Layers of colloidal particles deposited on a solid surface are used to nanostructure the surface using laser radiation. This method of nanomodification of the surface (sometimes called laser nanospheric lithography) is the subject of a number of works published in the literature [1-5], including with the participation of the authors of the present invention [6-9].

С другой стороны, в литературе активно обсуждается вопрос о возможности увеличения эффективности воздействия фемтосекундного лазерного импульса на вещество путем изменения формы импульса за счет спектральной фазовой модуляции [10-12]. При этом высокочастотная часть располагается на переднем фронте импульса, обеспечивая эффективную многофотонную ионизацию, в то время как низкочастотная часть вполне эффективна для ударной ионизации.On the other hand, the literature actively discusses the possibility of increasing the efficiency of the effect of a femtosecond laser pulse on matter by changing the shape of the pulse due to spectral phase modulation [10-12]. In this case, the high-frequency part is located on the leading edge of the pulse, providing effective multiphoton ionization, while the low-frequency part is quite effective for impact ionization.

Среди патентных документов к способу лазерного наноструктурирования поверхности твердых тел с использованием системы ближнепольных микролинз наиболее близка заявка US 20030129545 «Method and apparatus for use of plasmon printing in near-field lithography», МПК G03F 7/00, B82Y, публ. 10.07.2003, в которой для структурирования поверхности в качестве микролинз используются наночастицы металлов, облучаемые лазерным пучком с длиной волны в области их плазмонного резонанса. Недостатками данного способа является то, что наночастицы металлов не упорядочены на поверхности подложки, а также то, что плазмонный резонанс накладывает ограничения на длину волны лазерного излучения, которым можно облучать систему ближнепольных микролинз.Among patent documents, the closest application is US 20030129545 Method and apparatus for use of plasmon printing in near-field lithography, IPC G03F 7/00, B82Y, publ. 07/10/2003, in which metal nanoparticles irradiated by a laser beam with a wavelength in the region of their plasmon resonance are used as microlenses to structure the surface. The disadvantages of this method are that the metal nanoparticles are not ordered on the surface of the substrate, and the fact that plasmon resonance imposes restrictions on the wavelength of laser radiation, which can be irradiated with a system of near-field microlenses.

В качестве прототипа выбран способ лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, изложенный в работе [1]. В прототипе рассматривается получение структур с характерными масштабами (диаметрами) 100 нм, что составляет 2/5 от используемой длины волны лазерного излучения эксимерного лазера (248 нм), лазерные пучки являются монохроматическими. Способ-прототип заключается в том, что вначале на поверхности диэлектрической подложки формируют ближнепольную маску в виде слоя из кварцевых шариков диаметром 0,5 мкм, после чего облучают сформированную структуру импульсом наносекундного лазера, получая упорядоченную структуру рельефа на диэлектрической подложке с характерными размерами 100 нм. Плотность энергии в облучающем лазерном импульсе составляет 340 мДж/см².As a prototype, the method of laser nanostructuring of the surface of the dielectric substrate using near-field lithography, described in [1], was selected. The prototype considers obtaining structures with characteristic scales (diameters) of 100 nm, which is 2/5 of the used laser wavelength of the excimer laser (248 nm), the laser beams are monochromatic. The prototype method consists in the fact that at first a near-field mask is formed on the surface of the dielectric substrate in the form of a layer of quartz balls with a diameter of 0.5 μm, after which the formed structure is irradiated with a nanosecond laser pulse, obtaining an ordered relief structure on a dielectric substrate with characteristic dimensions of 100 nm. The energy density in the irradiating laser pulse is 340 mJ / cm ² .

Недостатками способа-прототипа являются малое разрешение (размер структур составляет 2/5 от используемой длины волны) и необходимость использования лазерного излучения с высокой плотностью энергии (340 мДж/см²).The disadvantages of the prototype method are the low resolution (the size of the structures is 2/5 of the used wavelength) and the need to use laser radiation with a high energy density (340 mJ / cm ² ).

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа получения упорядоченных наноразмерных структур на поверхности диэлектрической подложки большой площади с помощью ближнепольной литографии, обеспечивающего лучшее разрешение при меньшей плотности энергии лазерного излучения.The problem solved by the present invention is the development of a method for producing ordered nanoscale structures on the surface of a dielectric substrate of a large area using near-field lithography, which provides better resolution at a lower energy density of laser radiation.

Технический результат в предлагаемом способе достигается за счет того, что в нем, как и в способе-прототипе наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, вначале формируют ближнепольную маску на поверхности диэлектрической подложки и облучают полученную структуру импульсом лазера.The technical result in the proposed method is achieved due to the fact that in it, as in the prototype method of nanostructuring the surface of the dielectric substrate using near-field lithography, a near-field mask is first formed on the surface of the dielectric substrate and the resulting structure is irradiated with a laser pulse.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что используют импульс фемтосекундного лазера, который предварительно пропускают через нелинейно-оптический кристалл с коэффициентом преобразования 5÷7% во вторую гармонику излучения фемтосекундного лазера, после чего облучение диэлектрической подложки с нанесенной ближнепольной маской осуществляют полученным бихроматическим фемтосекундным импульсом с плотностью энергии в пределах 25÷40 мДж/см², которая меньше обычно используемой плотности энергии излучения лазера при сходном наноструктурировании поверхности.New in the present invention is that they use the pulse of a femtosecond laser, which is previously passed through a nonlinear optical crystal with a conversion factor of 5-7% to the second harmonic of the radiation of the femtosecond laser, after which the dielectric substrate coated with a near-field mask is irradiated with the obtained bichromatic femtosecond pulse with energy density in the range of 25 ÷ 40 mJ / cm ² , which is less than the commonly used laser radiation energy density with a similar nanostructure surface billing.

Как установлено авторами предлагаемого изобретения, вторая гармоника излучения фемтосекундного лазера более эффективна при многофотонной ионизации, чем основная частота, которая, в свою очередь, эффективна в процессе умножения количества свободных электронов в процессе ударной ионизации. Авторами было показано, что излучение второй гармоники лучше фокусируется системой шариков (микролинз). Этим можно объяснить уменьшение порога модификации вещества и уменьшение поперечного размера получающихся структур (до 1/7 длины волны используемого излучения на основной частоте), то есть улучшение разрешения способа при меньшей плотности энергии лазерного излучения.As established by the authors of the present invention, the second harmonic of a femtosecond laser radiation is more effective at multiphoton ionization than the fundamental frequency, which, in turn, is effective in the process of multiplying the number of free electrons in the process of impact ionization. The authors showed that the second harmonic radiation is better focused by a system of balls (microlenses). This can explain the decrease in the threshold for modifying the substance and the decrease in the transverse size of the resulting structures (up to 1/7 of the wavelength of the used radiation at the fundamental frequency), that is, an improvement in the resolution of the method at a lower energy density of laser radiation.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого способа.Figure 1 presents a schematic diagram of the proposed method.

На фиг.2 представлена микрофотография расположенных доменов упорядоченных микрошариков (ближнепольная маска), полученная на оптическом микроскопе Neophot 30 с увеличением ×1000. Во вставке представлена картина дифракции лазерного пучка на упомянутом домене с использованием излучения на длине волны 532 нм. Симметричная структура картины дифракции соответствует гексагональной структуре упорядоченных микрошариков.Figure 2 presents a micrograph of the arranged domains of ordered beads (near-field mask) obtained with an optical microscope Neophot 30 with magnification × 1000. The inset presents a picture of the diffraction of a laser beam on the aforementioned domain using radiation at a wavelength of 532 nm. The symmetric structure of the diffraction pattern corresponds to the hexagonal structure of ordered beads.

На фиг.3 представлен применяемый авторами вариант оптической схемы установки для наноструктурирования диэлектрической подложки с нанесенным упорядоченным монослоем микрочастиц (ближнепольной маской).Figure 3 shows the version of the optical setup used by the authors for nanostructuring a dielectric substrate coated with an ordered monolayer of microparticles (near-field mask).

На фиг.4 представлено изображение наноструктурированной поверхности диэлектрической подложки, полученное при помощи сканирующего зондового микроскопа Solver Pro фирмы NT-MDT. Для исследования показанного профиля сформировавшихся наноструктур применялись сечения поверхности прямыми линиями.Figure 4 presents the image of the nanostructured surface of the dielectric substrate, obtained using a scanning probe microscope Solver Pro company NT-MDT. To study the shown profile of the formed nanostructures, surface sections were used in straight lines.

На фиг.5 представлена относительная плотность распределения диаметров наноструктур (полная ширина по полувысоте) при различных режимах облучения подложки импульсами основной частоты (ОЧ), второй гармоники (ВГ) и бихроматическими (ОЧ+ВГ) импульсами.Figure 5 presents the relative density distribution of the diameters of the nanostructures (full width at half maximum) for various modes of irradiation of the substrate with pulses of the main frequency (OR), second harmonic (SH) and bichromatic (OH + SH) pulses.

На фиг.6 представлены результаты расчетов распределения модуля амплитуды напряженности электрического поля в падающей волне |E|² вблизи микрошариков из полистирола (n=1,59) на подложке из стекла (n=1,46) при воздействии нормально падающей плоской волны, линейно поляризованной вдоль координаты х. Диаметр шарика из полистирола 1 мкм, длины падающей волны 800 нм (а, в, д) и 400 нм (б, г, е). Рассмотренные случаи соответствуют случаям: одиночного шарика (а, б), плотноупакованного гексагонально-симметричного кластера из семи микрошариков (в, г) и бесконечного плотноупакованного монослоя (д, е). Распределения нормированы на значение поля в падающей волне.Figure 6 presents the results of calculations of the distribution of the modulus of the amplitude of the electric field in the incident wave | E | ² near polystyrene beads (n = 1.59) on a glass substrate (n = 1.46) when exposed to a normally incident plane wave linearly polarized along the x coordinate. The diameter of the ball made of polystyrene is 1 μm, the incident wavelength is 800 nm (a, c, e) and 400 nm (b, d, e). The cases considered correspond to the cases of: a single ball (a, b), a close-packed hexagonal-symmetric cluster of seven microspheres (c, d) and an infinite close-packed monolayer (e, f). The distributions are normalized to the value of the field in the incident wave.

На принципиальной схеме осуществления предлагаемого способа (см. фиг.1) показано облучение бихроматическим импульсом 1 мощного фемтосекундного лазера расположенных на структурируемой подложке 2 микроскопических диэлектрических шариков, образующих ближнепольную маску 3. Структурирование происходит под центрами шариков непосредственно материала подложки 2 в зависимости от условий в форме выпуклых образований или впадин.On a schematic diagram of the implementation of the proposed method (see Fig. 1), a bichromatic pulse 1 of a powerful femtosecond laser located on a structured substrate 2 shows microscopic dielectric balls forming a near-field mask 3. Structuring occurs under the centers of the balls of the substrate material 2 itself, depending on the conditions in the form convex formations or depressions.

Вариант устройства для реализации предлагаемого способа, представленный на фиг.3, содержит подложку 2 со сформированной на ее поверхности ближнепольной маской 3. Подложка 2 с маской 3 закреплена на трехкоординатном оптическом столике 4 для возможности изменения положения облучаемой области на подложке 2. Фокусировка излучения фемтосекундного лазера осуществляется плоско-выпуклой линзой 5 с длиной фокуса 15 см. Для получения бихроматического излучения 1 применяется тонкий (100 мкм) нелинейно-оптический кристалл 6 бета-бората бария (ВВО), который используется для генерации 2-й гармоники (оее или 2-го типа) с коэффициентом преобразования 5÷7% во вторую гармонику излучения фемтосекундного лазера. Ориентация кристалла 6 варьировалась для изменения эффективности преобразования (синхронизма). Для осуществления настроек и контроля качества лазерного пучка применяется экран 7. Излучение 1 при помощи системы зеркал 8 с высоким коэффициентом отражения поступает от комплекса фемтосекундного лазера. Комплекс фемтосекундного лазера включает в себя генератор фемтосекундных лазерных импульсов 10 с лазерной накачкой 11 производства фирмы Spectra-Physics. Последующее усиление лазерных импульсов происходит в усилителе 12 с лазерной накачкой 13 производства фирмы Spectra-Physics. Для контроля мощности лазерного излучения используется измеритель оптической мощности с перемещаемым по схеме приемным детектором 9. Для наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки 2 лазерная система использовалась в режиме разовых импульсов, управление осуществлялось при помощи компьютера 14. Длительность импульса была 50 фемтосекунд (фс), энергия импульса была 1,7 мДж, центральная длина волны была 800 нм, диаметр пучка был 7 мм. Синий стеклянный фильтр 15 использован для выделения излучения на длине волны 400 нм.A variant of the device for implementing the proposed method, shown in Fig. 3, contains a substrate 2 with a near-field mask 3 formed on its surface. The substrate 2 with a mask 3 is mounted on a three-coordinate optical stage 4 to change the position of the irradiated region on the substrate 2. Focusing the radiation of a femtosecond laser is carried out by a plano-convex lens 5 with a focal length of 15 cm. To obtain bichromatic radiation 1, a thin (100 μm) nonlinear optical crystal 6 of barium beta-borate (BBO) is used, which th is used for generating the 2nd harmonic (OEE or 2nd type) with a conversion factor of 5 ÷ 7% of the second harmonic of a femtosecond laser. The orientation of crystal 6 was varied to change the conversion efficiency (synchronism). Screen 7 is used to make settings and control the quality of the laser beam. Radiation 1, using a system of mirrors 8 with a high reflection coefficient, comes from a femtosecond laser complex. The femtosecond laser complex includes a femtosecond laser pulse generator 10 with laser pumping 11 manufactured by Spectra-Physics. Subsequent amplification of the laser pulses occurs in the amplifier 12 with laser pumping 13 manufactured by Spectra-Physics. To control the laser radiation power, an optical power meter with a receiving detector moved according to the scheme is used. For the nanostructure of the surface of the dielectric substrate 2, the laser system was used in a single-pulse mode, the control was carried out using a computer 14. The pulse duration was 50 femtoseconds (fs), the pulse energy was 1.7 mJ, the central wavelength was 800 nm, and the beam diameter was 7 mm. A blue glass filter 15 is used to isolate radiation at a wavelength of 400 nm.

С помощью устройства, представленного на фиг.3, заявляемый способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки 2 с помощью ближнепольной литографии осуществляют следующим образом.Using the device shown in figure 3, the inventive method of nanostructuring the surface of the dielectric substrate 2 using near-field lithography is as follows.

В первую очередь, на диэлектрической подложке 2 подготавливают монослой плотноупакованных полистирольных микрошариков диаметром 1 мкм, которые образуют ближнепольную маску 3 (см. фиг.1, 2, 3). После чего с помощью упомянутого комплекса фемтосекундного лазера и нелинейного оптического кристалла 6 бета-бората бария (ВВО) формируют бихроматический импульс 1, большая часть энергии которого приходится на основную частоту излучения лазера, а небольшая доля энергии - на вторую гармонику. Затем облучение диэлектрической подложки 2 с нанесенной ближнепольной маской 3 осуществляют полученным бихроматическим фемтосекундным импульсом 1 с плотностью энергии в пределах 25÷40 мДж/см², которая меньше обычно используемой плотности энергии излучения лазера при сходном наноструктурировании поверхности.First of all, on a dielectric substrate 2, a monolayer of close-packed polystyrene beads with a diameter of 1 μm is prepared, which form a near-field mask 3 (see Figs. 1, 2, 3). Then, using the aforementioned complex of a femtosecond laser and a nonlinear optical crystal 6 barium beta-borate (BBO), a bichromatic pulse 1 is formed, most of the energy of which falls on the main frequency of the laser radiation, and a small fraction of the energy is on the second harmonic. Then, the dielectric substrate 2 with the applied near-field mask 3 is irradiated with the obtained bichromatic femtosecond pulse 1 with an energy density in the range 25–40 mJ / cm ² , which is lower than the commonly used laser radiation energy density with similar nanostructuring of the surface.

Облучение диэлектрической подложки 2 с нанесенной ближнепольной маской 3 бихроматическим фемтосекундным импульсом 1 с суммарной плотностью энергии в пределах 25÷40 мДж/см² приводит к формированию периодических наноструктур, состоящих из абляционных кратеров или из холмиков в зависимости от условий облучения, например в зависимости от материала облучаемой подложки.Irradiation of a dielectric substrate 2 with a near-field mask 3 applied by a bichromatic femtosecond pulse 1 with a total energy density of 25–40 mJ / cm ² leads to the formation of periodic nanostructures consisting of ablation craters or mounds depending on the irradiation conditions, for example, depending on the material irradiated substrate.

По существу, предложен простой метод увеличения чувствительности и разрешающей способности одного из основных способов лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью лазерных импульсов, что позволило решить поставленную задачу, т.е. получить лучшее разрешение (минимальные размеры наноструктур составляют 1/7 длины волны используемого излучения вместо 2/5 длины волны излучения при реализации способа-прототипа) и при меньшей плотности энергии (облучение бихроматическим фемтосекундным импульсом 1 осуществлялось с суммарной плотностью энергии в пределах 25÷40 мДж/см² вместо 340 мДж/см², заявленной в способе-прототипе в [1]).Essentially, a simple method has been proposed for increasing the sensitivity and resolution of one of the main methods of laser nanostructuring of the surface of a dielectric substrate using laser pulses, which allowed us to solve the problem, i.e. get the best resolution (the minimum size of nanostructures is 1/7 of the wavelength of the radiation used instead of 2/5 of the radiation wavelength when implementing the prototype method) and at a lower energy density (irradiation with a bichromatic femtosecond pulse 1 was carried out with a total energy density of 25 ÷ 40 mJ / cm ² instead of 340 mJ / cm ² claimed in the prototype method in [1]).

В примерах конкретной реализации образцы подложек 2 облучались одиночными фемтосекундными импульсами основной частоты (ОЧ), второй гармоники (ВГ) и бихроматическими (ОЧ+ВГ) импульсами 1. Кристалл 6 помещался за линзой 5, чтобы избежать временного разделения ОЧ и ВГ импульсов. Синий стеклянный фильтр 15 (оптическая толщина А₄₀₀<0.02, A₈₀₀>20) 3 мм толщины был использован для выделения излучения ВГ. Падающая плотность энергии в лазерном пятне изменялась путем перемещения подложки 2 вдоль оси сфокусированного пучка. Атомно-силовой микроскоп использовался для анализа поверхности.In specific implementation examples, the samples of substrates 2 were irradiated with single femtosecond pulses of the main frequency (OCh), second harmonic (OG) and bichromatic (OCh + SH) pulses 1. Crystal 6 was placed behind lens 5 to avoid temporary separation of the OCh and SH waves. A blue glass filter 15 (optical thickness A ₄₀₀ <0.02, A ₈₀₀ > 20) of 3 mm thickness was used to isolate SH radiation. The incident energy density in the laser spot was varied by moving the substrate 2 along the axis of the focused beam. An atomic force microscope was used to analyze the surface.

Когда плотность энергии в импульсе увеличивалась выше определенного порога, шарики ближнепольной маски 3 отлетали с поверхности диэлектрической подложки 2 облученной области. При увеличении плотности энергии еще на 15% по отношению к порогу отлета шариков были получены наноструктуры хорошего качества. На подложках полиметилметакрилата (ПММА) это были абляционные кратеры (см. фиг.4), а на стеклянных подложках это были холмики. Для стеклянных подложек порог отлета шариков и соответственно плотность энергии, необходимая для образования структур, была почти в два раза ниже в случае облучения бихроматическим пучком 1 по сравнению с облучением пучком ОЧ. Для ПММА подложек эта разница была еще больше. В обоих случаях плотность энергии в импульсе, необходимая для формирования структур бихроматическим импульсом, была существенном меньше, чем плотность энергии, необходимой для лазерной очистки при воздействии импульса ОЧ.When the energy density in the pulse increased above a certain threshold, the balls of the near-field mask 3 flew off the surface of the dielectric substrate 2 of the irradiated region. With an increase in the energy density by another 15% with respect to the exit threshold of the balls, good-quality nanostructures were obtained. On polymethyl methacrylate (PMMA) substrates, these were ablation craters (see FIG. 4), and on glass substrates these were knolls. For glass substrates, the threshold for the release of balls and, accordingly, the energy density required for the formation of structures was almost two times lower in the case of irradiation with a bichromatic beam 1 in comparison with irradiation with an OF beam. For PMMA substrates, this difference was even greater. In both cases, the energy density in a pulse, which is necessary for the formation of structures by a bichromatic pulse, was significantly lower than the energy density required for laser cleaning under the influence of an OP pulse.

Добавление ВГ приводит к образованию более локализованных структур на стеклянных и ПММА подложках с диаметром абляционных кратеров порядка 100 нм. Результаты статистической обработки, показанные на фиг.5, говорят о том, что при облучении ПММА бихроматическим импульсом и только импульсом ВГ получаются кратеры, близкие по диаметру, и этот диаметр меньше, чем в случае облучения импульсом одной ОЧ. Если отфильтровать основную частоту и использовать только ВГ, структуры появлялись только, если образец был придвинут ближе к фокусу пучка, чем в случае, когда структуры наблюдаются при воздействии бихроматическим импульсом 1. Это смещение образца указывает на то, что пороговая плотность энергии при воздействии только ВГ в несколько раз выше, чем парциальная плотность энергии ВГ в бихроматическом пучке на пороге образования структур. Это означает, что основная частота (ОЧ) в бихроматическом импульсе вносит существенный вклад в процесс модификации поверхности.The addition of SH leads to the formation of more localized structures on glass and PMMA substrates with an ablation crater diameter of about 100 nm. The results of the statistical processing, shown in Fig. 5, indicate that when the PMMA is irradiated with a bichromatic pulse and only a second-harmonic pulse, craters are obtained that are close in diameter, and this diameter is smaller than in the case of irradiation with a pulse of one optical frequency. If we filter out the fundamental frequency and use only the second harmonic, the structures appeared only if the sample was moved closer to the focus of the beam than when the structures were observed when exposed to the bichromatic pulse 1. This shift of the sample indicates that the threshold energy density when exposed to only second harmonic several times higher than the partial density of SH energy in a bichromatic beam at the threshold of structure formation. This means that the fundamental frequency (OR) in a bichromatic pulse makes a significant contribution to the surface modification process.

Авторы предполагают, что модификация поверхности происходила через ионизацию. Вторая гармоника более эффективна при многофотонной ионизации, чем основная частота, которая, в свою очередь, эффективна в процессе умножения количества свободных электронов в процессе ударной ионизации. Это приводит к уменьшению порога модификации вещества. Излучение второй гармоники лучше фокусируется системой шариков ближнепольной маски 3. Этим можно объяснить уменьшение поперечного размера получающихся структур при переходе к бихроматическому облучению.The authors suggest that surface modification occurred through ionization. The second harmonic is more effective in multiphoton ionization than the fundamental frequency, which, in turn, is effective in the process of multiplying the number of free electrons in the process of impact ionization. This leads to a decrease in the threshold for modification of the substance. The radiation of the second harmonic is better focused by the system of balls of the near-field mask 3. This can explain the decrease in the transverse size of the resulting structures upon transition to bichromatic irradiation.

Таким образом, представлен способ наноструктурирования поверхности твердых тел, таких как полимеры и стекла, фемтосекундным лазерным импульсом с помощью слоя коллоидных частиц в качестве ближнепольной маски. Речь идет об одноимпульсном воздействии мощного фемтосекундного лазера. Основная частота таких лазеров лежит в ближнем инфракрасном диапазоне. Типичным примером является лазер на сапфире с титаном с длиной волны около 800 нм. Авторами экспериментально подтверждено, что преобразование части энергии исходного лазерного импульса во вторую гармонику с помощью нелинейного кристалла 6, то есть использование бихроматических импульсов, приводит к уменьшению порога лазерного наноструктурирования примерно в два раза и к уменьшению поперечных размеров элементарных структур рельефа, например абляционных кратеров в случае воздействия на полимеры. Радиус кратеров при воздействии бихроматических импульсов был на 30% меньше, чем при воздействии излучения основной частоты, с абсолютным значением меньше 100 нм. В эксперименте использовались импульсы с энергией 1,7 мДж, во вторую гармонику преобразовывалось 5% энергии излучения основной частоты.Thus, a method for nanostructuring the surface of solids, such as polymers and glasses, by a femtosecond laser pulse using a layer of colloidal particles as a near-field mask, is presented. This is a single-pulse exposure to a powerful femtosecond laser. The main frequency of such lasers lies in the near infrared range. A typical example is a titanium sapphire laser with a wavelength of about 800 nm. The authors experimentally confirmed that the conversion of part of the energy of the initial laser pulse into the second harmonic using a nonlinear crystal 6, i.e., the use of bichromatic pulses, reduces the laser nanostructure threshold by half and reduces the transverse dimensions of elementary relief structures, for example, ablation craters in the case of effects on polymers. The radius of the craters when exposed to bichromatic pulses was 30% less than when exposed to radiation of the fundamental frequency, with an absolute value of less than 100 nm. In the experiment, pulses with an energy of 1.7 mJ were used, 5% of the radiation energy of the fundamental frequency was converted to the second harmonic.

Модификация поверхности (абляция, свеллинг) при интенсивностях, соответствующих порогу модификации, происходит посредством ионизации. При этом вторая гармоника более эффективна при многофотонной ионизации, то есть она более эффективно, чем излучение основной частоты, создает исходные электроны в зоне проводимости, в то время как излучение основной частоты эффективно при ударной ионизации, приводящей к умножению количества исходных электронов. Таким образом, вторая гармоника создает затравку для образования структур, в то время как излучение основной частоты используется для энергетического воздействия. Авторами показано, что излучение второй гармоники лучше фокусируется системой коллоидных частиц (ближнепольной маской 3), чем излучение основной частоты. Расчеты проводились для случаев облучения плоской монохроматической волной на длинах волн 800 нм (основная частота лазера на сапфире с титаном) и 400 нм (вторая гармоника). Результаты расчетов (см. фиг.6) показывают, что для трех рассмотренных случаев: одиночного шарика, плотноупакованного гексагонально-симметричного кластера из семи микрошариков и бесконечного плотноупакованного монослоя вторая гармоника лучше фокусируется системой шариков (ближнепольной маской 3), чем излучение основной частоты. Кроме того, и в случае шарика в составе конечного кластера, и в случае бесконечного монослоя заметно влияние коллективных эффектов на фокусировку - уменьшение интенсивности и образование длинного фокуса. Расчет производился методом конечных разностей во временной области (общепринятое обозначение метода FDTD) с детализацией шагом сетки 10 нм. Для моделирования бесконечного монослоя микрошариков применялись периодические граничные условия по направлениям x и y (фиг.1). Так как затравочное излучение второй гармоники лучше фокусируется слоем микрочастиц, то вблизи порога локализация воздействия бихроматического излучения соответствует локализации второй гармоники.Surface modification (ablation, swelling) at intensities corresponding to the modification threshold occurs through ionization. In this case, the second harmonic is more effective in multiphoton ionization, i.e., it is more effective than the radiation of the fundamental frequency, it creates the initial electrons in the conduction band, while the radiation of the fundamental frequency is effective in impact ionization, which leads to a multiplication of the number of initial electrons. Thus, the second harmonic creates a seed for the formation of structures, while the radiation of the fundamental frequency is used for energy exposure. The authors showed that the second harmonic radiation is better focused by a system of colloidal particles (near-field mask 3) than the fundamental frequency radiation. The calculations were performed for cases of irradiation by a plane monochromatic wave at wavelengths of 800 nm (the main frequency of a sapphire laser with titanium) and 400 nm (second harmonic). The calculation results (see Fig. 6) show that for the three cases considered: a single ball, a tightly packed hexagonal-symmetric cluster of seven microspheres, and an infinite close-packed monolayer, the second harmonic is better focused by a system of balls (near-field mask 3) than radiation of the fundamental frequency. In addition, both in the case of a ball in the composition of the final cluster and in the case of an infinite monolayer, the influence of collective effects on focusing is noticeable - a decrease in intensity and the formation of a long focus. The calculation was carried out using the finite-difference method in the time domain (the generally accepted designation of the FDTD method) with a detail of a grid step of 10 nm. To simulate an infinite monolayer of microspheres, periodic boundary conditions in the x and y directions were used (Fig. 1). Since the seed radiation of the second harmonic is better focused by a layer of microparticles, near the threshold, the localization of the effect of bichromatic radiation corresponds to the localization of the second harmonic.

Таким образом, авторами доказано, что конверсия некоторой части энергии импульса основной частоты излучения фемтосекундного лазера во вторую гармонику позволяет получить лучшее разрешение при изготовлении упорядоченных наноструктур на поверхности диэлектрической подложки при меньшей плотности энергии лазерного излучения.Thus, the authors proved that the conversion of a certain part of the pulse energy of the fundamental frequency of the femtosecond laser radiation to the second harmonic allows one to obtain better resolution in the manufacture of ordered nanostructures on the surface of a dielectric substrate at a lower laser energy density.

Список использованной литературыList of references

1. Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, В.S. Luk'yanchuk, JETP Letters 72, 457 (2000).1. Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, B.S. Luk'yanchuk, JETP Letters 72, 457 (2000).

2. Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006).2. Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006).

3. Wu W., Katsnelson A., Memis O.G., and Mohseni H. Nanotechnology 18, 485302 (2007).3. Wu W., Katsnelson A., Memis O. G., and Mohseni H. Nanotechnology 18, 485302 (2007).

4. Khan A., Wang Z.В., Sheikh M.A., Whitehead D.J., and Li L. Appl. Surf. Sci. 258, 774 (2011).4. Khan A., Wang Z. B., Sheikh M. A., Whitehead D. J., and Li L. Appl. Surf Sci. 258, 774 (2011).

5. Chong Т.C., Hong M.H., and Shi L.P. Laser Photon. Rev. 4, 123 (2010).5. Chong T.C., Hong M.H., and Shi L.P. Laser Photon. Rev. 4, 123 (2010).

6. Pikulin A., Bityurin N., Langer G., Brodoceanu D., and Bäuerle D. Appl. Phys. Lett. 91, 191106 (2007).6. Pikulin A., Bityurin N., Langer G., Brodoceanu D., and Bäuerle D. Appl. Phys. Lett. 91, 191106 (2007).

7. Pikulin A., Afanasiev A., Agareva N., Alexandrov A.P., Bredikhin V., and Bityurin N. Optics Express 20, 9052, (2012).7. Pikulin A., Afanasiev A., Agareva N., Alexandrov A.P., Bredikhin V., and Bityurin N. Optics Express 20, 9052, (2012).

8. Битюрин H.M. Квантовая электроника, 40, 955 (2010).8. Bityurin H.M. Quantum Electronics, 40, 955 (2010).

9. Bityurin N., Afanasiev A., Bredikhin V., Alexandrov A., Agareva N., Pikulin A., Ilyakov I., Shishkin В., and Akhmedzhanov R., Optics Express, 21, 21485 (2013).9. Bityurin N., Afanasiev A., Bredikhin V., Alexandrov A., Agareva N., Pikulin A., Ilyakov I., Shishkin B., and Akhmedzhanov R., Optics Express, 21, 21485 (2013).

10. Englert L., Rethfeld В., Haag L., Wollenhaupt M., Sarpe-Tudoran С., and Baumert T. Optics Express 15, 17855 (2007).10. Englert L., Rethfeld B., Haag L., Wollenhaupt M., Sarpe-Tudoran C., and Baumert T. Optics Express 15, 17855 (2007).

11. Mauclair C., Zamfirescu M., Colombier J.P., Cheng G., Mishchik K., Audouard E., and Stoian R. Optics Express 20, 12997 (2012).11. Mauclair C., Zamfirescu M., Colombier J.P., Cheng G., Mishchik K., Audouard E., and Stoian R. Optics Express 20, 12997 (2012).

12. Englert L., Wollenhaupt M., Sarpe C., Otto D., and Baumert T.J. Laser Appl. 24, 042002 (2012).12. Englert L., Wollenhaupt M., Sarpe C., Otto D., and Baumert T.J. Laser Appl. 24, 042002 (2012).

Claims (1)

Способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, включающий в себя формирование ближнепольной маски на поверхности диэлектрической подложки и облучение полученной структуры импульсом лазера, отличающийся тем, что используют импульс фемтосекундного лазера, который предварительно пропускают через нелинейно-оптический кристалл с коэффициентом преобразования 5÷7% во вторую гармонику излучения фемтосекундного лазера, после чего облучение диэлектрической подложки с нанесенной ближнепольной маской осуществляют полученным бихроматическим фемтосекундным импульсом с плотностью энергии в пределах 25÷40 мДж/см², которая меньше обычно используемой плотности энергии излучения лазера при сходном наноструктурировании поверхности. A method of nanostructuring the surface of a dielectric substrate using near-field lithography, which includes forming a near-field mask on the surface of a dielectric substrate and irradiating the resulting structure with a laser pulse, characterized in that they use a femtosecond laser pulse that is previously passed through a nonlinear optical crystal with a conversion coefficient of 5 ÷ 7 % to the second harmonic of the radiation of a femtosecond laser, after which the irradiation of a dielectric substrate with a short-range An underfloor mask is carried out by the obtained bichromatic femtosecond pulse with an energy density in the range of 25–40 mJ / cm ² , which is lower than the commonly used laser radiation energy density for similar surface nanostructuring.

Images