В лаборатории нанобиофотоники Института химической физики РАН получены многообещающие результаты в области микро- и наногравировки поверхностей с использованием импульсного лазерного излучения.
Распределение интенсивности света в фокальной плоскости объектива источника света: в однородной среде (a), позади кремниевой (b) или полистереновой (c) микросферы в воде. Интенсивность показана изменением цвета от черного и синего (наименьшая интенсивность) к красному и белому (наивысшая интенсивность)
Фото: Shakhov, A. M., Astafiev, A. A., Plutenko, D. O., Sarkisov, O. M., Shushin, A. I., & Nadtochenko, V.
Во многих областях техники возникает необходимость создать заданный микрорельеф. Это бывает нужно для схем микрофлюидики, при производстве оптических микросенсоров, оптических интегральных микросхем или их элементов: фотонных кристаллов, волноводов, микролазеров.
Сложность такой работы в том, что при нанесении гравировки и при контроле результата оптическими методами их точность (пространственное разрешение) ограничена так называемым дифракционным пределом.
Дифракционный предел
В обыденной жизни видимые нами предметы имеют более или менее контрастные очертания, а распределение света и тени дает представление о форме предмета и даже о фактуре его поверхности. Все это возможно только потому, что свет, играющий роль "щупа" в нашем визуальном восприятии, имеет чрезвычайно малую длину волны.
Сталкиваясь с препятствием, размеры которого сравнимы с длиной волны, свет будет огибать его, проникая в область геометрической тени (именно это явление первоначально и называлось дифракцией). Попадая на узкую щель, свет будет расходиться по разным направлениям, а не только в направлении первоначального движения. Две точки, от которых идет свет, будут практически неразличимы, если расстояние между ними меньше половины длины волны. Именно это расстояние и называется дифракционным пределом.
Иными словами, возможность отличить друг от друга две близко расположенных точки определяется не свойствами оптического прибора, а свойствами самого света. Кстати, это одна из причин, по которой в физических исследованиях часто используют коротковолновое излучение — в ультрафиолетовом или рентгеновском диапазоне. Для видимого же света предел пространственного разрешения около 200-400 нм.
ICP — аббревиатура английского названия Института химической физики им. Н.Н. Семенова, в котором разработана методика нанесения рельефного изображения на поверхность (стекла, сапфира, полимерных пленок) с помощью лазерного излучения, сфокусированного микросферами кремния (показана на схеме)
Фото: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)
Оптика ближнего поля
Описанная проблема, таким образом, возникает из-за наличия у света волновых свойств. При переходе к мелким пространственным масштабам свет оказывается не совокупностью бесконечно тонких прямолинейных лучей, отражаемых и преломляемых под четко определенными углами, а волнами, расходящимися во все стороны, как круги по воде.
В физике это называют переходом от геометрической оптики к оптике волновой. Однако волновая оптика тоже является предельным случаем общего электромагнитного описания явлений. Она работает на больших расстояниях от источника излучения, в так называемом дальнем поле. В непосредственной же близости от источника (а таковым в оптике будет любая отражающая свет поверхность), в так называемом ближнем поле, распределение электрического и магнитного полей будет подчиняться совсем иным закономерностям.
Ближнее поле хорошо изучено в радиофизике, где оно может составлять метры и более вокруг излучающей антенны и относительно легко доступно для исследования. Сама идея использовать принципы физики ближнего поля в оптической микроскопии возникла еще в 1920-х годах. Но лишь в начале 1980-х годов были получены первые оптические изображения с разрешением в 20 раз меньше длины волны.
Кварцевые микролинзы
Принципы ближнепольной оптики можно применить не только для получения микроскопических изображений поверхности, но и, наоборот, для создания на ней нужного нам распределения электромагнитных полей — для ее обработки. Для этой цели в качестве микролинз ближнего поля мы применили кварцевые микрошарики размером порядка 1 микрона.
Производство кварцевых микрошариков (glass microspheres) началось еще в 1950-х годах. Простые и дешевые в изготовлении, сейчас они используются в разных целях в нефте- и горнодобывающей промышленности, при производстве красок и строительных материалов, косметики и разнообразных потребительских товаров. Небольшие вариации в диаметре и сферичности микрошариков не сказываются на разрешении и точности получаемых изображений.
Замечательно то, что эти шарики можно захватить лазерным излучением: при высокочастотном (более 80 МГц) импульсном лазерном излучении диэлектрическая кварцевая частица втягивается в область наиболее интенсивного электромагнитного поля в лазерном луче. Этот эффект в последние годы широко используется в самых разных областях науки и техники и известен как "лазерный пинцет" или "оптическая ловушка". В нашем случае один и тот же лазерный луч может использоваться и для воздействия на вещество поверхности, и для управления кварцевой частицей.
Ближнепольная фотохимия
Распределение интенсивности излучения в световом пятне, полученном в ближнем поле такой микролинзы, будет иметь заметный градиент (см. рис.). Можно подобрать параметры излучения (интенсивность, длительность воздействия импульса и некоторые другие) так, что в нужной нам области лазерное излучение окажет нужное нам тепловое, термохимическое или фотохимическое действие на материал. Причем размер этой области может быть гораздо меньше, чем дифракционный предел. Нам уже удалось уменьшить размер области, которую мы способны обработать лазерным излучением, до 1/8-1/11 длины волны, вместо "стандартного" предела в 1/2.
При этом лазер отнюдь не прожигает освещаемый им участок поверхности, а вызывает его химическую модификацию. Например, если мы воздействуем излучением на поверхность кварца (представляющего собой оксид кремния, SiO2), то она теряет кислород. Сначала после обработки поверхности кварца лазером на ней возникают микропики (в месте точечного воздействия лазерного луча) или микровалы (по ходу лазерного луча). Происходит это из-за теплового расширения кварца и его "вскипания" при выделении кислорода. И лишь после последующего травления щелочью, вымывающей кремний, на микрорельефе кварца на месте пиков возникают ямки, а на месте валов — траншеи (см. рис.).
С учетом пространственного разрешения (десятки нанометров) наш метод следовало бы назвать наногравировкой (в научном лексиконе чаще используется термин наноструктурирование поверхности). В настоящее время структурирование поверхности в таких пространственных масштабах возможно только с помощью ионной или ультрафиолетовой литографии, однако эти технологии несравнимо дороже и сложнее в использовании. Технология, описанная здесь, открывает широкие возможности для развития целого нового направления, известного как Lab-on-a-chip ("лаборатория на чипе") и чрезвычайно востребованного в последнее время не только в научных, но и, например, в медицинских задачах.
Фото: Shakhov, A., Astafiev, A., Gulin, A., & Nadtochenko, V. (2015)
Ультрафиолетовая литография
— нанесение на поверхность полимерного светочувствительного материала (фоторезиста), который под воздействием ультрафиолетового излучения становится растворимым и удаляется растворителем. Используются "глубокое" (deep ultra violet, DUV) или "жесткое" (extreme ultra violet, EUV) ультрафиолетовое излучение с длинами волны около 200 нм или 13,5 нм соответственно. Технология обеспечивает разрешение до нескольких нанометров. Есть и ряд недостатков: сложность и дороговизна получения EUV достаточно высокой мощности, поглощение EUV практически любыми материалами, в том числе и компонентами оптических схем, необходимость работы в вакууме.
Ионная (или ионно-лучевая) литография — нанесение изображения на поверхность с помощью пучков ионов, как правило, протонов или альфа-частиц. В силу высокой чувствительности материалов к облучению потоком относительно тяжелых заряженных частиц позволяет отказываться от использования полимерного фоторезиста. Обеспечивает разрешение до 10 нм.
Микрофлюидика (микрогидродинамика) — наука о поведении жидкостей на микро- и нанопространственных масштабах. Основные области применения — технические устройства малых размеров (например, устройства струйной печати), медицина и молекулярная биология.