الزخرفة عبر البصرية تشبع انتقالات - تصنيع وتوصيف
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 polymerization5,6, 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 features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.
Introduction
الطباعة الحجرية الضوئية هي ذات أهمية رئيسية في تصنيع هياكل النانو والأجهزة. زيادة التقدم في تقنيات الطباعة الحجرية رواية لديه القدرة على تمكين أجيال جديدة من الأجهزة الجديدة. 8-11 في هذه المقالة، ويقدم استعراضا لفئة من تقنيات الطباعة الحجرية الضوئية التي تحقق العميق الدقة الطول الموجي الفرعية باستخدام جزيئات photoswitchable الرواية. ويسمى هذا النهج الزخرفة عبر والبصرية تشبع التحولات (POST). 1-3
المنصب هو تقنية جديدة nanofabrication يجمع بشكل فريد أفكار تشبع التحولات البصرية من الجزيئات الضوئية، وتحديدا (1،2 مكرر (5،5'-ثنائي ميثيل-2،2'-bithiophen-يل)) perfluorocyclopent-1-الشم. بالعامية، ويشار إلى هذا المركب كما BTE، الشكل 1، مثل تلك المستخدمة في الانبعاث المستحث استنفاد (STED) المجهري 12، مع الطباعة الحجرية تشويش مما يجعلها أداة قوية لارجمنطقة الإلكترونية nanopatterning موازية من الميزات subwavelength عميقة على مجموعة متنوعة من الأسطح مع تمديد محتمل ل2- و 3 أبعاد.
طبقة الضوئية هي دولة متجانسة أصلا في واحدة. عندما يتعرض هذه الطبقة إلى الإضاءة موحدة من λ 1، فإنه يتحول لدولة ايزوميريا الثانية (1C)، الشكل 2. ثم يتعرض العينة إلى عقدة مركزة في λ 2، والذي يحول العينة إلى أول دولة ايزوميريا ( 1O) في كل مكان ما عدا في محيط القريب من العقدة. من خلال التحكم في جرعة التعرض، وحجم المنطقة غير محول يجوز صغيرة بشكل تعسفي. والخطوة اللاحقة تحديد واحد من ايزومرات يمكن بشكل انتقائي وبشكل لا رجعة فيه تحويل (مغلق) إلى دولة 3 الثالثة (باللون الأسود) لقفل النمط. وبعد ذلك، تتعرض طبقة موحد على λ 1، والذي يحول كل شيء ما عدا منطقة مغلقة يعود إلى حالته الأصلية. السلسلة من الخطوات يمكن ان تتكرر مع تشريد عينة المتعلقة البصريات، مما أدى إلى منطقتين مقفل التي تباعد أصغر من الحد حيود بعيدة الميدان. لذلك، قد يكون نمط أي هندسة التعسفية في "نقطية" الموضة. 1-3
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Thanks to Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott, and Chris Landes for helpful discussions and assistance related to the custom inert atmosphere sample holder and assistance in the University of Utah student machine shop. P.C. acknowledges the NSF GRFP under Grant No. 0750758. P.C. acknowledges the University of Utah Nanotechnology Training Fellowship. R.M. acknowledges a NSF CAREER Award No. 1054899 and funding from the USTAR Initiative.
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 |
References
- Brimhall, N., Andrew, T. L., Manthena, R. V., Menon, R. Breaking the far-field diffraction limit in optical nanopatterning via repeated photochemical and electrochemical transitions in photochromic molecules. Physical Review Letters. 107 (20), 205501 (2011).
- Cantu, P., et al. Subwavelength nanopatterning of photochromic diaryethene films. Applied Physics Letters. 100 (18), 183103 (2012).
- Cantu, P., Andrew, T. L., Menon, R. Nanopatterning of diarylethene films via selective dissolution of one photoisomer. Applied Physics Letters. 103 (17), 173112 (2013).
- Abbe, E. Beiträge zur Theorie des Mikroskops und der mikroskopischen Wahrnehmung. Archiv für mikroskopische Anatomie. 9 (1), 413-418 (1873).
- Li, L., et al. Achieving λ/20 resolution by one-color initiation and deactivation of polymerization. Science. 324 (5929), 910-913 (2009).
- Fischer, J., von Freymann, G., Wegener, M. The materials challenge in diffraction-unlimited direct-laser-writing optical lithography. Advanced Materials. 22 (32), 3578-3582 (2010).
- Mirkin, C. A., et al. Beam pen lithography. Nature Nanotechnology. 5, 637-640 (2010).
- Xie, X., et al. Manipulating spatial light fields for micro- and nano-photonics. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 44, 1109-1126 (2012).
- Leroy, J., et al. High-speed metal-insulator transition in vanadium dioxide films induced by an electrical pulsed voltage over nano-gap electrodes. Applied Physics Letters. 100 (21), 213507 (2012).
- Carr, D., Sekaric, L., Craighead, H. Measurement of nanomechanical resonant structures in single-crystal silicon. Journal of Vacuum Science & Technology B. 16 (6), 3821-3824 (1998).
- Wilhelmi, O., et al. Rapid prototyping of nanostructured materials with a focused ion beam. Japanese Journal of Applied Physics. 47 (6), 2010-5014 (2008).
- Hell, S. W. Far-field optical nanoscopy. Science. 316 (5828), 1153-1158 (2007).
- Chou, S. Y., Krauss, P. R., Renstrom, P. J. Nanoimprint lithography. Journal of Vacuum Science & Technology B. 14, 4129 (1996).
- Guillemette, M. D., et al. Surface topography induces 3D self-orientation of cells and extracellular matrix resulting in improved tissue function. Integrative Biology. 1 (2), 196-204 (2009).
