דפוסים באמצעות מעברי Saturable אופטיים - ייצור ואפיון

Summary

We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.^1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.

Abstract

This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.⁴ Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization^5,6, beam pen lithography (BPL)⁷, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features^1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities^1-3, opening the door to massive parallelization.

Introduction

ליתוגרפיה אופטית היא בעל חשיבות מרכזית בייצור של מבנים ננומטריים והתקנים. יש התקדמות מוגברת בטכניקות ליתוגרפיה רומן היכולת לאפשר דורות חדשים של מכשירי רומן. ^8-11 במאמר זה, סקירה מוצגת בכיתה של טכניקות ליתוגרפי אופטיות כי להשיג רזולוציה תת-גל עמוק באמצעות מולקולות photoswitchable רומן. גישה זו נקראת דפוסים באמצעות אופטי-Saturable מעברים (POST). ^1-3

POST הוא שיטה חדשנית nanofabrication שמשלבת באופן ייחודי את הרעיונות של להרוות מעברים אופטיים של מולקולות Photochromic, במיוחד (1,2-bis (5,5'-דימתיל-2,2'-bithiophen-י.ל.)) perfluorocyclopent-1-ENE. בפיהם, תרכובת זו נקראת BTE, איור 1, כגון אלו המשמשים במיקרוסקופ פליטה המאולץ-דלדול (STED) ^12, עם יתוגרפיה הפרעות, שהופך אותו לכלי רב עוצמה לlargnanopatterning דואר האזור המקביל של תכונות subwavelength עמוקות על מגוון משטחים עם סיומת פוטנציאל 2 ו 3-ממדים.

שכבת Photochromic היא מדינת מקור בהומוגנית אחת. כאשר שכבה זו נחשפה לתאורה אחידה של λ _1, זה הופך למדינה השנייה isomeric (ג 1), איור 2. ואז המדגם חשוף לצומת ממוקדת בλ _2, אשר ממיר את המדגם לתוך מדינת isomeric הראשונה ( 1o) בכל מקום מלבד בסביבה הקרובה לצומת. על ידי שליטה על מינון החשיפה, גודל האזור לא מומר יכול להיעשות באופן שרירותי קטן. הצעד הבא של תיקון אחד של איזומרים ניתן להמרה באופן סלקטיבי ובלתי הפיך (נעול) למצב 3 ^rd (בשחור) כדי לנעול את התבנית. בשלב הבא, השכבה חשופה באופן אחיד לλ _1, אשר ממיר כל דבר פרט לאזור הנעול חזרה למצב המקורי.רצף של צעדים ניתן לחזור עם תזוזה של המדגם ביחס לאופטיקה, וכתוצאה מכך שני אזורים נעולים ריווחה קטן מגבול השתברות השדה הרחוק. לכן, כל גיאומטריה שרירותית ניתן בדוגמת באופנה "סיכות". ^1-3

Protocol

הערה: לבצע את כל השלבים תחת כיתת חדר נקי 100 תנאים טובים יותר או הבאים. הכנת 1. לדוגמא נקה רקיק 2 קוטר "סיליקון עם נאגר תחמוצת Etch פתרון (BOE) (6 חלקים 40% 4 F NH וHF 49% חלק 1) למשך 2 דקות (זהירות: כ…

Representative Results

דגימות מפוברקות: פעמים חמצון שונות אופיינו כפי שמודגמים על ידי micrographs הכוח האטומי באיור 3 במתח חמצון של 0.85 V נקבע מvoltammetry המחזורית. סרטי 50 ננומטר בעובי נחשפו לגל עומד בλ = 647 nm של nm 400 תקופה של 60 שניות בצפיפות הספק של…

Discussion

The fabrication, experimental setup and related operational procedures of Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) have been described. By exploiting the linear switching properties of thermally stable photochromic molecules, POST offers new perspectives on circumventing the far-field diffraction limit.^1-2,4

Previously long-term storage requirement of the samples was solved by storing the samples under N₂, directly after the initial evaporation.² How…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Isopropanol	Fisher Scientific	P/7500/15	CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Buffered Oxide Etch
Methanol	Ricca Chemical	48-293-2	CAUTION: flammable, use good ventilation and avoid all ignition sources.
Ethylene Glycol	Sigma-Aldrich	324558	CAUTION: Harmful if swallowed
Silicon wafer
Diamond Scribe
Glass Beakers
Tweezers	Ted Pella	5226
Reactive Ion Etching System	Oxford	Plasma Lab 80 Plus
Inert Atmosphere Sample Holder	Proprietary In-house Designed
Polarizing beamsplitter cube	Thorlabs	PBS052
HeNe Laser	Melles Griot	25-LHP-171	CAUTION: Wear safety glasses
Half-wave plates	Thorlabs	WPH05M-633
Thermal Evaporator	Proprietary In-house Designed
TMV Super	TM Vacuum Products	TMV Super
Voltammograph	Bioanalytical Systems	CV-37
Shortwave UV lamp 365nm	UVP Analytik Jena Company	UVGL-25	CAUTION: Wear UV safety glasses