Способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки Российский патент 2024 года по МПК G03F7/20 B82Y40/00 

Изобретение относится к способам лазерного наноструктурирования поверхности с использованием массива упорядоченных диэлектрических мезомасштабных фокусирующих устройств, формирующих фотонный крюк в подложке с масштабами, меньшими длины волны исходного излучения и может быть использовано для создания материалов с новыми свойствами.

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 водородной энергетике для развития площади поверхности и повышения каталитических свойств границы раздела электролитической мембраны с электродами в вырабатывающем ток топливном элементе и т.д.

Поэтому является актуальным развитие методов создания одно-, двух- и трехмерных структур с характерными размерами менее 1 мкм на поверхности и в объеме твердых материалов, например, в керамике, алмазных пленках, кварце, полимерах, биоматериалах и полупроводниках.

Известны различные способы наноструктурирования поверхности подложки с помощью лазеров.

Известен способ 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.

Известен способ по наноструктурированию с помощью лазеров, в котором для пространственной модуляции распределения падающей электромагнитной интенсивности волны с характерными нанопериодами использовались маски в виде проецируемых на поверхность шаблонов [Munzer H. J., Mosbacher M., Bertsch M., et al. Local Field Enhancement Effects for Nanostructuring of Surfaces // J. Microscopy. 2001. V. 202. P. 129.].

Известен способ по наноструктурированию с помощью лазеров, в котором для пространственной модуляции распределения падающей электромагнитной интенсивности волны использовалось экранирование поверхности от падающего излучения микро- или наночастицами [European Patent EP 0297506 В1. Removal of particles from solid-state surfaces by laser bombardement; Y. F. Lu, L. Zhang, W. D. Song, Y. W. Zheng, and B. S. Luk’yanchuk, Laser writing of a subwavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Lett. 72(9), 457-459 (2000); R. Fardel, E. McLeod, Y.-C. Tsai, and C. B. Arnold, Nanoscale ablation through optically trapped microspheres // Appl Phys A 101, 41-46 (2010); Vestentoft K., Olesen J.A., Christensen B.H., Dalling P. Nanostructuring of Surfaces by Ultra-short Laser Pulses // Appl. Phys. A. 2005.V80. p. 493.].

Известен способ по наноструктурированию с помощью лазеров, в котором для пространственной модуляции распределения падающей электромагнитной интенсивности волны использовался эффект интерференции двух или более лазерных пучков на поверхности или в объеме материала [Вейко В.П., Дышловенко С.С. Лазерное микроструктурирование (физические основы, применения, проблемы и перспективы) // Известия Академии наук. Серия физика. 2001. Т. 65. № 6.; Алексеев А.М., Веревкин Ю.К., Востоков Н.В. и др. Наблюдение лазерно-индуцированных локальных модификаций магнитного порядка в слоях переходных металлов // Письма в ЖЭТФ. 2001. Т. 73. Вып. 4. С. 214-219; Веревкин Ю.К., Бронникова Н.Г., Королихин В.В. и др. Образование двумерных периодических наноструктур на плавленном кварце, полиимиде и поликристаллическом алмазе при импульсной четырехволновой интерфереционной лазерной модификации // ЖТФ. 2003. Т. 73. С. 99.].

Известен способ лазерного наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии, заключающийся в облучении лазерным излучением слоя диэлектрических мезоразмерных сфер, расположенных на поверхности подложки и формирующих на своей теневой стороне осесимметричные фотонные струи [Y.F. Lu, W.D. Song, Y.W. Zheng, B.S. Luk'yanchuk. Laser writing of sub-wavelength structure on silicon (100) surfaces with particle enhanced optical irradiation // JETP Letters 72, 457 (2000); Langer G., Brodoceanu D., and Bauerle D. Femtosecond laser fabrication of apertures on two-dimensional microlens arrays // Appl. Phys. Lett. 89, 261104 (2006)]. В результате взаимодействия высокоэнергетического излучения в фотонной струе с материалом подложки, в ней формируются осесимметричные линейные кратеры.

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); 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; N.M. Bityurin, A.V. Afanasiev, V.I. Bredikhin, A.V. Pikulin, I.E. Ilyakov, B.V. 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 (кубоид, пирамида, усеченная пирамида, правильный шестиугольник и т.д.) с характерными размерами не менее λ [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: 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 осесимметричную фотонную струю и обеспечивают пространственное разрешение порядка λ/3-λ/4 и протяженностью несколько длин волн облучающего излучения.

Известен способ 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 используемого излучения [Патент РФ 168081]. Способ заключается в облучении лазерным излучением слоя диэлектрических мезоразмерных частичек, расположенных на подложке и формирующих на своей теневой стороне осесимметричные фотонные струи. В качестве фокусирующих устройств используются диэлектрические мезоразмерные кубоиды 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.

Известен способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с помощью ближнепольной литографии по патенту РФ 2780946, заключающийся в облучении лазерным излучением слоя диэлектрических сферических или цилиндрических мезоразмерных частиц 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, выполнения на теневой поверхности диэлектрических частиц, конической выемки обращенной своим основанием к диэлектрической подложке.

Достоинством способа является обеспечение формирования на поверхности подложки расширенного набора структур в виде колец или параллельной сетки.

Экспериментальные исследования показали, что применение фотонных наноструй для микро-, нано-структурирования материалов может значительно улучшить разрешение литографии [Mcleod, E., Arnold, C. Subwavelength direct-write nanopatterning using optically trapped microspheres // Nature Nanotech 3, 413-417 (2008); Астафьев А.А., Шахов А.М., Саркисов О.М., Надточенко В.А. Микроструктурирование полимерных плёнок фемтосекундными импульсами через полистирольные микрошарики, захваченные оптической ловушкой // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - №. 4. - С. 361-364; Y. Wen, F. Wang, H. Yu, P. Li, L. Liu, W. J. Li. Laser-nanomachining by microsphere induced photonic nanojet // Sensors and Actuators A 258, 115-122 (2017); C. Qu, C. Zhu, and E. C. Kinzel, Modeling of microsphere photolithography // Opt. Express 28, 39700-39712 (2020); B. Sugathan, J. P. Nilaya, V. P. M. Pillai, and D. J. Biswas. Particle assisted structuring on metallic substrate: Anomaly when particle size exceeds irradiation wavelength // AIP Advances 10, 035222 (2020); Y. Elkarkri, X. Li, B. Zeng, Z. Lian, J. Zhou and Y. Wang. Laser photonic nanojets triggered thermoplasmonic micro/nanofabrication of polymer materials for enhanced resolution. Nanotechnology 32, 145301 (2021); Zhou, Z., Ali, H., Hou, Z., Xue, W., Cao, Y. Enhanced photonic nanojets for submicron patterning // J. Cent. South Univ. 29, 3323-3334 (2022)].

Общим недостатком известных способов наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки является формирование кратеров в подложке осесимметричной линейной формы.

Однако особой проблемой при лазерной нано- и микро- перфорации материалов и наноструктурирования поверхностного слоя диэлектрической подложки является обработка структур внутри образца, которые имеют изменяющиеся в продольном направлении характеристики. Это становится особенно трудным, когда желаемые пространственные характеристики кратера имеют микронный или даже субволновой (субмикронный) масштаб.

Получить изогнутый кратер при абляции материала возможно путем смещения образца во время воздействия лазерного излучения, однако такой способ достаточно трудоемкий [H. Hidai, Y. Kuroki, S. Matsusaka, A. Chiba, N. Morita, Curved drilling via inner hole laser reflection, Precision Engineering, 46, 96-103 (2016)].

В качестве прототипа выбран способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки, заключающийся в облучении лазерным излучением формирующей системы, формирования сфокусированного изогнутого электромагнитного пучка, в форме пучка Эйри и облучения им поверхности подложки [A. Mathis, F. Courvoisier, L. Froehly, L. Furfaro, M. Jacquot, P. A. Lacourt, and J. M. Dudley. Micromachining along a curve: Femtosecond laser micromachining of curved profiles in diamond and silicon using accelerating beams // Appl. Phys. Lett. 101, 071110 (2012); https://doi.org/10.1063/1.4745925 Submitted: 04 July 2012; David Sohr, Jens Ulrich Thomas and Stefan Skupin. Shaping convex edges in borosilicate glass by single pass perforation with an Airy beam // Optics Letters Vol. 46, Issue 10, pp. 2529-2532 (2021)].

Достоинством способа является возможность формирования изогнутых, не осесимметричных кратеров в подложке.

Генерация структурированных самоускоряющихся пучков семейства Эйри обычно достигается с помощью сложных, громоздких и дорогих технологий [Siviloglou, G. A., Broky, J., Dogariu, A. & Christodoulides, D. N. Observation of accelerating Airy beams // Phys. Rev. Lett. 99, 213901 (2007); C. Ungaro, A. Liu. Single-pass cutting of glass with a curved edge using ultrafast curving Bessel beams and oblong Airy beams // Optics & Laser Technology 144, 107398 (2021)]. А использование фемтосекундных лазерных установок зачастую проблематично ввиду их сложности и дороговизны.

Недостатком способа являются большие характерные размеры формируемого изогнутого электромагнитного пучка, достигающие от нескольких десятков до нескольких сотен длин волн используемого излучения, сложность с использованием массива упорядоченных фокусирующих устройств.

Пучки Эйри связаны с интегралом Эйри, который был получен Джорджем Эйри для объяснения оптических каустик, таких как те, что проявляются в виде радуги. Воспроизвести и наблюдать пучки Эйри впервые удалось ученым из Флориды в 2007 году [M. V. Berry and N. L. Balazs, Nonspreading wave packets // Am. J. Phys. 47, 264 (1979); Siviloglou, G.A. Observation of accelerating Airy beams / G.A. Siviloglou, J. Broky, A. Dogariu, D.N. Christodoulides // Phys. Rev. Lett. - 2007 - Vol. 99(21). - P. 213901; Siviloglou, G.A. Accelerating finite energy Airy beams // G.A. Siviloglou, D.N. Christodoulides // Optics Letters. - 2007 - Vol. 32 - P. 979-981]. Пучки Эйри обладают рядом уникальных свойств, среди которых ускорение, самофокусировка, самовосстановление и бездифракционность. Свойство ускорения, то есть распространения по некоторой криволинейной траектории [Li, J. Vacuum laser-driven acceleration by Airy beams / J. Li, W. Zang, J. Tian // Opt. Express. - 2010 - Vol. 18(7). - P. 7300-7306.; С.Н. Хонина, С.Г. Волотовский. Ограниченные одномерные пучки Эйри: лазерный веер // Компьютерная оптика. - 2008 - Т. 32, № 2 - С.168-174.; В.В. Котляр, А.А. Ковалев, С.Г. Засканов Лазерные пучки Эйри с гиперболической траекторией в ближней зоне // Компьютерная оптика. - 2013 - T. 37, № 1 - C. 4-12; В. В. Котляр, А. А. Ковалев. Ускоряющиеся и вихревые лазерные пучки - М: Физматлит, 2018.]. При этом искривленный электромагнитный пучок формируется на некотором фокусном расстоянии от формирующей системы и имеет свою ширину превышающую дифракционный предел.

Задачей заявляемого технического решения является разработка способа наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с формированием криволинейного кратера в подложке.

Это достигается тем, что применяемый способ наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки, заключающийся в облучении лазерным излучением формирующей системы, формирования сфокусированного изогнутого электромагнитного пучка и облучения им поверхности подложки, новым является то, что формирующая система выполняется в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, формирующей непосредственно на своей теневой поверхности фотонный крюк и размещенной своей теневой поверхностью на поверхности диэлектрической подложки. Кроме того, на поверхности подложки размещается слой мезоразмерных диэлектрических частиц, формирующих на своей теневой поверхности фотонный крюк.

Фотонный крюк это искривленная фотонная струя, радиус кривизны которой меньше длины волны и которая способна распространяться на расстояние нескольких длин волн [Oleg V. Minin, Igor V. Minin. The Photonic Hook. From Optics to Acoustics and Plasmonics. - Springer Briefs in Physics, 2021, https// doi.org/10.1007.978-3-030-66945-4].

В отличие от известных самоускоряющихся пучков, фотонный крючок может быть создан с помощью простого компактного мезоразмерного диэлектрического оптического элемента. А поле фотонного крючка сочетает в себе черты, как фотонной струи, так и различного типа самоускоряющихся пучков, включая пучки семейства Эйри.

Сущность заявляемого способа поясняется на примере устройства, реализующего этот способ.

Пример функциональной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ представлен на Фиг. 1.

На Фиг. 2 приведен пример получаемого сечения ассиметричного кратера в подложке из парафина. Максимальный диаметр кратера примерно равен 0,5λ, а глубина 1,2λ. Заметен несимметричный выброс материала из кратера.

Обозначения: 1 - лазер, 2 - электромагнитное излучение, 3 - фокусирующее диэлектрическое мезоразмерное устройство формирования фотонного крюка, 4 - фотонный крюк, 5 - диэлектрическая подложка.

Работа устройства происходит следующим образом. На диэлектрической подложке 5 размещаются диэлектрические фокусирующие устройства 3, формирующие на своей теневой поверхности фотонный крюк 4 и образующие в совокупности ближнепольную маску. При облучении их лазерным излучением 2, сформированным лазером 1 формируется фотонный крюк 4 непосредственно у поверхности фокусирующего устройства 3 в материале подложки 5. Структурирование происходит под центрами фокусирующего устройства 3 непосредственно материала подложки 5. В результате высокоэнергетического воздействия сфокусированного электромагнитного излучения в форме фотонного крюка 4 с материалом подложки 5 в ней формируется криволинейный кратер с субволновыми размерми.

Фокусирующие устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка известны и рассмотрены в [Патенты РФ 161207; 195603; 207824; 2788342; Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774; Минин И.В., Минин О.В. Фотонные струи в науке и технике // Вестник СГУГиТ, Т. 22, № 2, 2017, с. 212-234]. В некотором смысле, фотонный крючок - это разновидность фотонной наноструи, создаваемой микрочастицами с асимметричными структурами [Liyang Yue, O. V. Minin, Zengbo Wang, James N. Monks, A. S. Shalin, and I. V. Minin. Photonic hook: a new curved light beam // Optics Letters, Vol. 43, No. 4 / 15 February 2018, рр. 771-774], асимметричными композициями материалов [G. Gu, L. Shao, J. Song, J. Qu, K. Zheng, X. Shen, Z. Peng, J. Hu, X. Chen, M. Chen, and Q. Wu, Photonic hooks from Janus microcylinders // Opt. Express 27, 37771 (2019)] или асимметричным освещением [Minin I V, Minin O V, Katyba G, Chernomyrdin N, Kurlov V, Zaytsev K, Yue L, Wang Z and Christodoulides D. Experimental observation of a photonic hook // Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 031105].

Изобретение относится к способам лазерного наноструктурирования поверхности. Способ наноструктуирования поверхности диэлектрической подложки согласно изобретению заключается в облучении лазерным излучением формирующей системы, формировании сфокусированного изогнутого электромагнитного пучка и облучения им поверхности подложки, при этом формирующая система выполняется в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, формирующей непосредственно на своей теневой поверхности фотонный крюк и размещенной своей теневой поверхностью на поверхности диэлектрической подложки. Изобретение обеспечивает возможность наноструктурирования поверхности диэлектрической подложки с формированием криволинейного кратера в подложке. 2 ил.

Способ наноструктуирования поверхности диэлектрической подложки, заключающийся в облучении лазерным излучением формирующей системы, формировании сфокусированного изогнутого электромагнитного пучка и облучении им поверхности подложки, отличающийся тем, что формирующая система выполняется в виде мезоразмерной диэлектрической частицы, формирующей непосредственно на своей теневой поверхности фотонный крюк и размещенной своей теневой поверхностью на поверхности диэлектрической подложки.