Patrones través ópticos saturable Transiciones - Fabricación y Caracterización

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

Litografía óptica es de importancia clave en la fabricación de estructuras a nanoescala y dispositivos. El aumento de los avances en las técnicas de litografía novela tiene la posibilidad de habilitar nuevas generaciones de dispositivos novedosos. ^8-11 En este artículo, se presenta una revisión de una clase de técnicas litográficas ópticos que logran profundo resolución sub-banda de frecuencia con nuevas moléculas photoswitchable. Este enfoque se denomina Patterning vía óptica saturable Transitions (POST). ^1-3

POST es una técnica novedosa nanofabricación que combina de forma única las ideas de la saturación de las transiciones ópticas de moléculas fotocrómicas, específicamente (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-bithiophen-il)) perfluorocyclopent-1-eno. Coloquialmente, este compuesto se conoce como BTE, la Figura 1, tales como los utilizados en la emisión-agotamiento (STED) microscopía estimulada ^12, con litografía de interferencia, que hace que sea una herramienta poderosa para large-área nanoestampación paralelo de características de sublongitud de onda profundos sobre una variedad de superficies con extensión potencial de 2 y 3 dimensiones.

La capa fotocrómico es originalmente en un estado homogéneo. Cuando esta capa se expone a una iluminación uniforme de λ _1, se convierte en el segundo estado isomérico (1c), la Figura 2. A continuación, la muestra se expone a un nodo centrado en λ _2, que convierte la muestra en el primer estado isomérico ( 1o) en todas partes excepto en las inmediaciones del nodo. Mediante el control de la dosis de exposición, el tamaño de la región no convertida se puede hacer arbitrariamente pequeña. Una etapa de fijación posterior de uno de los isómeros se puede convertir selectiva e irreversible (bloqueado) en un estado 3 ^rd (en negro) para bloquear el patrón. A continuación, la capa se expone de manera uniforme a λ _1, que convierte todo excepto la región bloqueada de nuevo a su estado original. Lasecuencia de pasos se puede repetir con un desplazamiento de la muestra relativa a la óptica, resultando en dos regiones bloqueadas cuya distancia es menor que el límite de difracción de campo lejano. Por lo tanto, cualquier geometría arbitraria puede ser modelada de una manera "de matriz de puntos". ^1-3

Protocol

NOTA: realizar todos los pasos siguientes en virtud clase de sala limpia 100 condiciones o mejor. 1. Preparación de muestras Limpie una oblea de silicio de 2 "de diámetro con Buffered Óxido Etch solución (BOE) (6 piezas de 40% de NH 4 F y 1 parte de 49% IC) durante 2 minutos (Precaución: Los productos químicos peligrosos). Elija esta vez grabado para eliminar cualquier orgánicos o contaminantes en la superficie. Enjuague con agua desionizada (DI) durante aproxim…

Representative Results

Muestras fabricadas: Diferentes tiempos de oxidación se caracterizaron como se ilustra mediante las micrografías de fuerza atómica en la Figura 3 a una tensión de oxidación de 0,85 V determinado a partir de voltametría cíclica. Las películas de 50 nm de espesor fueron expuestas a una onda estacionaria en λ = 647 nm del período de 400 nm durante 60 segundos a una densidad de potencia de 0,95 mW / cm2. A medida que el tiempo de oxidación …

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