Лазерная литография наноструктур

В лаборатории есть два основных направления лазерной литографии - двухфотонная лазерная литография и лазерная интерференционная литография.

Двухфотонная фотолитография

Методика литографии с помощью двухфотонной фотополимеризации базируется на нелинейном поглощении в объеме полимерного материала. Метод позволяет создавать трехмерные объекты с разрешением до 10 нм. 

Двухфотонная лазерная литография или двухфотонная полимеризация – уникальная технология, позволяющая создавать трехмерные структуры с разрешением менее 100 нм.
 
Специальное фоточувствительное вещество – фоторезист - поглощает инфракрасное излучение лишь в области лазерной перетяжки, в результате чего засвеченный материал становится нерастворимым. Перемещая перетяжку в фоторезисте в трех измерениях, можно создавать структуры произвольной сколь угодно сложной формы.
В нашей лаборатории была собрана установка двухфотонной лазерной литографии. В настоящее время работа ведется в трех основных направлениях:
 - создание элементов интегральной фотоники для поверхностных волн в фотонных кристаллах (волноводов, разветвителей, интерферометров)
- создание элементов рентгеновской оптики
- разработка нелинейных фоторезистов
 
1
Поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) в фотонных кристаллах - локализованные на границе раздела фотонный кристалл - диэлектрик состояния электромагнитного поля. Благодаря своей компактности и малым потерям блоховские поверхностные волны более предпочтительны для применений в области интегральной фотоники как по сравнению с объемными волноводными модами, так и по сравнению с поверхностными плазмонами. Однако узкие резонансы поверхностных волн накладывают жесткие требования на метод изготовления фотонных интегральных устройств. Двухфотонная лазерная литография с ее субмикронным разрешением и гибкостью позволяет создавать сколь угодно сложные структуры для интегральной фотоники на поверхностных волнах в фотонах кристаллах.
На картинках представлены СЭМ изображения волноводов и интерферометров, сделанных в нашей лаборатории.
 
2
Работа в данном направлении производится совместно с лабораторией рентгеновской оптики БФУ им. Канта (Калининград). 
Рентгеновская микроскопия может позволить добиться разрешения порядка нескольких нанометров, таким образом решив ряд важных задач в области биологии, физике твердого тела и т.д. Однако современные методы изготовления рентгеновской оптики являются достаточно дорогими и сложными, а структуры, изготовленные таким методом страдают от ряда недостатков, не позволяющим им достичь оптимального предела фокусировки. В нашей лаборатории впервые была продемонстрирована возможность изготовления преломляющей рентгеновской оптики методом двухфотонной лазерной литографии.   Такие изготовленные из аморфного полимера линзы не искажают волновой фронт падающего излучения, отличие от поликристаллических бериллиевых линз, а их компактность и простота изготовления позволяет легко перейти от одной линзы к сложному микрообъективу и интегрировать такой оптический элемент прямо в держатель с образцом.
 
3
 
Оптическая технология передачи данных обладает рядом преимуществ по сравнению с электронной. Однако отсутствие фотонных транзисторов - устройств, модулирующих фазу и (или) интенсивность света, - препятствует окончательному переходу от гибридной фотонно-электронной к полностью оптической технологии. Оптическое переключение может быть реализовано различными методами: термическими, механическими, акустическими, магнитными или полностью оптическими. Из них полностью оптический метод переключения является самым быстрым, позволяя добиться времени переключения порядка нескольких фемтосекунд.  Полностью оптическое переключение основано на эффекте Керра - локальном изменении показателя преломления под действием излучения высокой интенсивности. Эффективность такого процесса характеризует Керровский коэффициент. К сожалению, большинство материалов обладает малыми значениями Керровского коэффициента: чтобы значительно изменить показатель преломления материала необходимо использовать высокоинтенсивное излучение, что может привести к разрушению материала. Среди материалов с большой Керровской нелинейностью выделяют полупроводниковые нанокристаллы - квантовые точки. Однако структурировать их с субмикронной точностью - практически невыполнимая задача, что делает невозможность изготовления фотонных устройств из квантовых точек.  Решением такой проблемы может стать создание гибридных резистов на основе фотоструктурируемых материалов и квантовых точек, из которого можно будет изготовить эффективный полностью оптический переключатель.

 

Лазерная интерференционная литография

Данная методика создает структуры путем экспонирования фоточувствительного слоя в стоячей волне, формируемой когерентными лазерными пучками. Методика позволяет моздавать структуры с периодами от 100 нм,
 
 

 

Публикации

Тезисы конференций

  1. Петров А.К.
    "Основные направления развития аддитивных технологий для печати объектов с микронным разрешением"

    III Международная конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее», ВИАМ, Москва

    2017

Статьи

  1. A. K. Petrov, V. O. Bessonov, K. A. Abrashitova, N. G. Kokareva, K. R. Safronov, A. A. Barannikov, P. A. Ershov, N. B. Klimova, I. I. Lyatun, V. A. Yunkin, M. Polikarpov, I. Snigireva, A. A. Fedyanin, and A. Snigirev
    "Polymer X-ray refractive nano-lenses fabricated by additive technology"

    Optics Express

    25
    13
    14173-14181
    2017