Patroonvorming via Optical Verzadigbare Transitions - fabricage en karakterisering

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

Optische lithografie is van essentieel belang in de fabricage van structuren op nanoschaal en apparaten. Toegenomen ontwikkelingen in de roman van lithografie technieken heeft de mogelijkheid om nieuwe generaties van nieuwe apparaten. ^8-11 In dit artikel wordt een overzicht gepresenteerd van een klasse van optische lithografische technieken die diepe sub-golflengte resolutie met behulp van nieuwe photoswitchable moleculen te bereiken. Deze aanpak wordt genoemd Patterning via Optical-Verzadigbare Transitions (POST). ^1-3

POST is een nieuwe nanofabricatie techniek die op unieke wijze de ideeën verzadigen optische overgangen van fotochrome moleculen, in het bijzonder (1,2-bis (5,5'-dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-een. Gemeenzaam, wordt deze verbinding genoemd BTE figuur 1, zoals die in gestimuleerde emissie-depletie (STED) microscopie ^12, interferentie lithografie, waardoor het een krachtig hulpmiddel voor larg maakte-gebied parallel nanopatronen van diepe subwavelength functies op een verscheidenheid van oppervlakken met een mogelijke uitbreiding tot 2- en 3-dimensies.

De meekleurende laag is oorspronkelijk in een homogene toestand. Wanneer deze laag wordt blootgesteld aan een gelijkmatige verlichting van λ ₁ het omzet in de tweede isomere toestand (1c), figuur 2. Vervolgens wordt het monster blootgesteld aan een gerichte knooppunt λ _2, waarbij het ​​monster in de eerste isomere toestand (converteert 1o) overal behalve in de directe omgeving van het knooppunt. Door het regelen van de dosis belichting kan de afmeting van de omgezette gebied worden willekeurig klein. Een volgende stap bevestiging van een van de isomeren selectief en irreversibel worden omgezet (vergrendeld) in een ^3e toestand (in zwart) om het patroon te vergrendelen. Vervolgens wordt de laag gelijkmatig blootgesteld aan λ _1, die alles behalve de vergrendelde regio zet terug naar de oorspronkelijke staat. Dereeks stappen kunnen worden herhaald met een verplaatsing van het monster ten opzichte van de optiek, resulterend in twee afgesloten gebieden waarvan de afstand kleiner is dan het verre veld diffractiegrens. Derhalve kan elke willekeurige geometrie worden gevormd in een "dot matrix" mode. ^1-3

Protocol

OPMERKING: Voer de volgende stappen onder cleanroom klasse 100 voorwaarden of beter. 1. Monstervoorbereiding Reinig een diameter 2 "silicium wafer met gebufferde Oxide Etch (BOE) oplossing (6 delen 40% NH4F en 1 deel 49% HF) gedurende 2 minuten (Let op: Gevaarlijke chemicaliën). Kies deze ets tijd om eventuele organische of verontreinigingen op het oppervlak te verwijderen. Spoelen met gedemineraliseerd water (DI) voor ongeveer 5 minuten. Droge wafel met droge N2…

Representative Results

Verzonnen monsters: Verschillende oxidatie keer werden gekarakteriseerd zoals geïllustreerd door de atomaire kracht microfoto in figuur 3 tegen oxidatie spanning van 0,85 V bepaald uit cyclische voltammetrie. De 50 nm dikke films werden blootgesteld aan een staande golf bij λ = 647 nm van de periode 400 nm gedurende 60 seconden bij een vermogensdichtheid van 0,95 mW / cm2. Aangezien de oxidatie tijd verhoogd van 10 min tot 25 min, kan men duidel…

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