Patterning via ottici saturabili Transitions - fabbricazione e la caratterizzazione

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

Litografia ottica è di fondamentale importanza nella fabbricazione di strutture in nanoscala e dei dispositivi. Aumento progressi nelle tecniche di litografia romanzo ha la possibilità di abilitare le nuove generazioni di nuovi dispositivi. ^8-11 In questo articolo, una revisione è presentato di una classe di tecniche litografiche ottici che raggiungono profondità risoluzione sub-banda di frequenza con nuove molecole photoswitchable. Questo approccio è chiamato Patterning tramite Optical saturabile Transitions (POST). ^1-3

POST è una nuova tecnica di nanofabbricazione, che combina in modo unico le idee di saturare transizioni ottiche di molecole fotocromatiche, in particolare (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-il-bithiophen)) perfluorocyclopent-1-ene. Colloquialmente, questo composto è indicato come BTE, Figura 1, come quelli utilizzati in stimolata emissioni deplezione (STED) microscopia a ^12, con interferenza litografia, che lo rende un potente strumento per large-zona nanopatterning parallela di funzioni subwavelength profonde su una varietà di superfici con potenziale estensione a 2 e 3 dimensioni.

Lo strato fotocromatica è originariamente in uno stato omogeneo. Quando questo strato è esposto ad una illuminazione uniforme di λ _1, converte nel secondo stato isomerica (1c), Figura 2. Poi il campione è esposto a un nodo mirato a λ _2, che converte il campione nel primo stato isomerica ( 1o) ovunque tranne nelle immediate vicinanze del nodo. Controllando la dose di esposizione, la dimensione della regione non convertito può essere arbitrariamente piccola. Una successiva fase di fissaggio di uno degli isomeri può essere selettivamente e irreversibilmente convertito (bloccato) in uno stato di 3 ^° (in nero) per bloccare il pattern. Successivamente, lo strato è esposto uniformemente a λ _1, che converte tutto tranne la regione bloccata ritorna allo stato originale. Ilsequenza di fasi può essere ripetuta con uno spostamento del campione rispetto alle ottiche, con conseguente due aree bloccate cui spaziatura è inferiore al limite di diffrazione campo lontano. Pertanto, qualsiasi geometria arbitraria può essere modellato in modo "aghi". ^1-3

Protocol

NOTA: effettuare tutte le seguenti operazioni sotto classe di camera bianca 100 condizioni o meglio. Preparazione 1. Campione Pulire un wafer di silicio 2 "di diametro con la soluzione Buffered Oxide Etch (BOE) (6 pezzi 40% NH 4 F e 1 parte di 49% HF) per 2 min (Attenzione: i prodotti chimici pericolosi). Scegliere questo tempo di attacco per rimuovere eventuali sostanze organiche o contaminanti sulla superficie. Risciacquare con acqua deionizzata (DI) di acqua per cir…

Representative Results

Campioni fabbricati: Differenti tempi di ossidazione sono stati caratterizzati come illustrato dalle micrografie a forza atomica in figura 3 con una tensione di ossidazione di 0,85 V determinata dalla voltammetria ciclica. I film di 50 nm di spessore sono stati esposti a un'onda stazionaria a λ = 647 nm del periodo di 400 nm per 60 secondi ad una densità di potenza di 0.95 mW / cm 2. Poiché il tempo di ossidazione viene aumentata da 10 min …

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