Российские ученые из МФТИ, ИХФ им. Семенова, МГУ и ИПХФ создали механизм лазерного нанесения структур на стекло с разрешением в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса, говорится в сообщении пресс-службы МФТИ. Фокусировка лазера производилась с помощью маленьких стеклянных сфер, играющих роль линз. Такой механизм позволяет дёшево и достаточно просто наносить сложные структуры на поверхность стекла, получая при этом пространственное разрешение менее 100 нанометров.
Предложенный метод позволит достаточно быстро и дёшево создавать сенсоры и микросхемы наномасштабов. Как говорят учёные, он намного дешевле и технологически проще своих конкурентов, при том что позволяет наносить заданные с компьютера рисунки на поверхности стекла с приемлемым разрешением. Для демонстрации этого метода на стекло была нанесена аббревиатура Института Химической Физики (ICP) с высоким разрешением (около 100 нанометров). Наногравировка, в частности, используется для создания сверхточных схем в микрофлюидике: по выгравированным каналам может течь рабочая жидкость, соединяя различные части схемы, и размеры такой схемы тем меньше, чем больше разрешение гравировки.
Фемтосекундный лазер, используемый учёными, позволяет наносить сложные двумерные и трехмерные структуры на поверхность прозрачного материала. Разрешение — минимальный размер детали такой структуры — всегда проблема в такого рода задачах, так как оно ограничено снизу (по физическим соображениям) длиной волны лазера. Чем выше разрешение, тем меньше размер наносимых структур, и тем интереснее и востребованнее эти структуры в технологии.
Для улучшения разрешения очень часто применяют эффект ближнего поля. Этот способ предполагает фокусировку луча лазера, используя в качестве "линз", металлические наночастицы или слой диэлектрических микросфер. Однако эти методы усложняют нанесение, так как “линзы” фиксированы в пространстве.
В своей работе авторы предлагают другой подход: с помощью пучка света в жидкости создают своеобразную ловушку, куда помещают стекляные микросферы. Преимущество такого способа фокусировки состоит в том, что эту "ловушку" можно передвигать, тем самым сдвигая "линзы" в пространстве и фокусируя лазер на необходимую область стекла.
Однако просто "провести" лучом лазера по поверхности недостаточно. Воздействие лазера приводит к образованию бугорков, а не впадин. Эти бугорки достаточно негладкие и широкие, однако воздействие щёлочи при температуре 90° С превращает бугорки в гладкие ямки уже меньшей ширины. Если при таком двухшаговом структурировании достигается разрешения ниже 100 нанометров (нм), то при одношаговом, когда поверхность обрабатывается только лазером, точность получается не ниже 150-200 нм, в зависимости от сложности структур.
В итоге, вся технология нанесения выглядит следующим образом. Вначале поверхность стекла облучается фемтосекундным лазером. Импульс лазера фокусируется с помощью стекляного шарика, который направляется с помощью оптической “ловушки”, в заданную заранее область стекла. На поверхности стекла образуются широкие бугорки, которые затем, после обработки поверхности щелочным раствором, превращаются в ямки меньших размеров и более упорядоченных форм.
Помимо непосредственно технологии структурирования, в работе исследована зависимость разрешения, т.е. размеров кратеров, от мощности лазерного излучения. Результаты показывают, что для большей точности эффективнее всего использовать мелкие сферы, в результате чего разрешение может достигать ниже 100 нм.
Минимальная ширина кратера, полученного таким образом, была равна 70 нм.
Для практического применения этого метода помимо высокого разрешения необходимо также учитывать сложность нанесения комплесных структур. В работе показано, что можно нанести достаточно сложные структуры с помощью описанной техники. Для этого на поверхности стекла была нанесена аббревиатура Института Химической Физики — ICP (англ.: Institute of Chemical Physics).
"Создание тонких желобов и каналов может найти применение в производстве "микрофлюидиков" и различных "нанозаводов", которые применяются в химии и биологии", — говорит соавтор статьи, аспирант факультета общей и прикладной физики МФТИ, Александр Шахов.
В разработке маленьких точных сенсоров, работающих с жидкостью — "каналы" для жидкости наносятся именно такими методами. В работе же предлагается достаточно быстрый и дешевый механизм наноструктурирования. Такой подход, в частности, может позволить быстрое и технологически несложное создание дешёвых приборов и сенсоров путем нанесения сложных структур тонких желобов и каналов, по которым будет течь рабочая жидкость.
Источник
