Nanofabrication Struktur Periodik Resolusi Tinggi dengan Ukuran Celah Di bawah 100 nm oleh Polimerisasi Dua Foton

Hasil dan Diskusi

Parameter pemrosesan memainkan peran penting dalam menentukan ukuran fitur struktur. Diantaranya, intensitas laser merupakan salah satu parameter yang mampu mempengaruhi pembentukan struktur secara efektif dan dapat dikontrol secara akurat dan nyaman. Parameter ini dapat diperoleh dengan menggunakan rumus yang diberikan dalam ref [28]

dimana P mewakili kekuatan laser rata-rata [4, 28], T koefisien transmisi tujuan/sistem (T =15% [4]), M ² kualitas sinar dengan M ² =1.1, f tingkat pengulangan, τ durasi pulsa, dan w ₀ radius titik dengan \(w_{0}=0.61 \frac {\lambda }{NA}\) (w ₀ 223,5nm). Dalam rumus ini, \(\frac {P}{f}\) dan \(\frac {P}{f\tau }\) masing-masing menunjukkan energi per pulsa dan daya rata-rata per pulsa. Satuan intensitas kW/ μ m ² digunakan sebagai ganti TW/cm ² (1 TW/cm ² =10 kW/ μ m ² ) untuk tujuan menampilkan secara langsung seberapa besar daya yang benar-benar difokuskan di area spot, yang juga memiliki rentang dalam skala mikro (\(\pi w_{0}^{2} \approx 0.16\) μ m ² ). Di sini, penyelidikan tentang pengaruh intensitas laser pada dimensi garis tunggal dilakukan. Bahan Zr-hybrid dan E-shell 300 diaplikasikan untuk penelitian ini. Lebar dan tinggi garis yang dibuat dari kedua bahan sehubungan dengan intensitas laser I ditunjukkan masing-masing pada Gambar. 3a (bahan Zr-hibrida) dan Gambar. 3b (E-shell 300). Kecepatan 7 μ m/s digunakan untuk fabrikasi. Intensitas laser I berada di kisaran 0,67–0,78 kW/ μ m ² (dengan kisaran daya laser yang sesuai 1,44–1,69 mW) untuk material Zr-hibrida dan 0,78–1,02 kW/ μ m ² (rentang daya laser 1,69–2,20 mW) untuk E-shell 300. Dapat dilihat bahwa ukuran fitur (diameter dan tinggi) meningkat seiring dengan peningkatan intensitas laser. Dalam kasus material Zr-hibrida (Gbr. 3a), dengan intensitas laser sekitar 0,67 kW/ μ m ² , dimensi lateral voxel dapat dikurangi menjadi sekitar 115 nm, yang berada di bawah batas difraksi (batas difraksi \(\frac {\lambda }{2NA}=185\) nm). Juga dapat dihitung bahwa rasio aspek (tinggi terhadap lebar) berada dalam kisaran 2,5–4. Untuk E-shell 300 (Gbr. 3b), lebar garis 178 nm direalisasikan ketika intensitas laser adalah 0,78 kW/ μ m ² . Dimensi fitur ini berada di bawah batas difraksi (185 nm). Berdasarkan penyelidikan di atas, dapat disimpulkan bahwa ukuran fitur secara efektif dipengaruhi oleh intensitas laser yang diterapkan. Ukuran fitur yang lebih kecil dapat diwujudkan dengan mengurangi intensitas laser.

Dimensi garis versus intensitas laser I . Kecepatan yang digunakan untuk penataan adalah 7 μ MS. Garis merah dan biru adalah hasil fit linier dari lebar dan tinggi voxel, masing-masing. a Lebar dan tinggi satu garis terbuat dari bahan Zr-hybrid. b Lebar dan tinggi satu garis terbuat dari E-shell 300

Pengaruh Material Berbeda pada Formasi Struktur oleh 2PP

Untuk penyelidikan tentang dampak bahan pada pembentukan struktur, berbagai garis kisi periodik dibuat menggunakan bahan yang diperkenalkan di bagian "Bahan". Kecepatan menulis 7 μ m/s diterapkan. Gambar 4a dan b masing-masing merupakan citra SEM dari garis kisi periodik yang terbuat dari material Zr-hybrid dan E-shell 300 dengan jarak periodik (PD , diilustrasikan pada Gambar. 1) dari 1 μ M. Intensitas laser yang diterapkan untuk fabrikasi adalah 1,25 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 2,7 mW) untuk material Zr-hibrida dan 1,02 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 2,2 mW) untuk E-shell 300. Dapat dilihat bahwa garis kisi yang dibuat dari kedua bahan tersebut halus. Gambar 4c dan d menunjukkan gambar SEM dari garis kisi periodik yang terbuat dari bahan Zr-hibrida dan E-shell 300 dengan P A =400 nm, masing-masing. Dengan penurunan jarak periodik, intensitas laser yang digunakan untuk fabrikasi juga berkurang untuk mencapai resolusi tinggi dan sekaligus menghindari overpolimerisasi di dalam ruang antara fitur yang berdekatan. Dalam penyelidikan ini, intensitas laser 0,69 kW/ μ m ² diterapkan untuk fabrikasi dengan kedua bahan. Dengan pengurangan PD , garis kisi yang terbuat dari bahan hibrida Zr berbutir (Gbr. 4c), sedangkan yang terbuat dari E-shell 300 memiliki kekasaran yang lebih rendah (Gbr. 4d). Kekasaran garis kisi yang terbuat dari bahan hibrida-Zr mungkin dihasilkan dari polimerisasi yang tidak stabil, yang terjadi karena kedekatan daya laser yang berkurang dengan ambang polimerisasi bahan. Perbandingan ini mengungkapkan bahwa E-shell 300 lebih cocok untuk fabrikasi struktur dengan jarak periodik skala nano. Selain itu, semua struktur yang diamati oleh SEM diendapkan dengan lapisan emas setebal 20 nm.

Gambar SEM dari garis kisi yang dibuat dengan bahan yang berbeda. Kecepatan pembuatannya adalah 7 μ MS. a Bahan:bahan Zr-hibrida; P A =1 μ M; Intensitas laser:1,25 kW/ μ m ² . b Bahan:E-kulit 300; P A =1 μ M; Intensitas laser:1,02 kW/ μ m ² . c Bahan:bahan Zr-hibrida; P A =400nm; Intensitas laser:0,69 kW/ μ m ² . d Bahan:E-kulit 300; P A =400nm; Intensitas laser:0,69 kW/ μ m ²

Investigasi Formasi Struktur sehubungan dengan Posisi Fokus Laser

Untuk menempatkan struktur nano pada permukaan substrat kaca, sinar laser harus difokuskan pada antarmuka substrat/photoresist selama proses 2PP. Dengan demikian, hanya sebagian dari voxel yang dapat memulai polimerisasi fotoresis. Bagian lain dari voxel berada di substrat kaca untuk memastikan adhesi struktur. Karena geometri voxel berbentuk elips, variasi ukuran penampang ada di sepanjang sumbu utama. Dalam fabrikasi mikro dan nano resolusi tinggi, variasi ukuran penampang voxel pada antarmuka substrat dan photoresist sangat diperhatikan dalam mempengaruhi pembentukan struktur serta ukuran fiturnya.

Gambar 5 adalah ilustrasi skema penyesuaian fokus laser di sepanjang z arah. Posisi pada antarmuka antara photoresist dan substrat didefinisikan sebagai posisi fokus referensi z ₀ (Gbr. 5a). Karena tetesan photoresist berada di sisi bawah substrat kaca, titik fokus laser bergerak turun dari posisi referensi z ₀ ke dalam fotoresis. Jarak antara posisi fokus laser saat ini z dan posisi referensi z ₀ diwakili oleh z =∣z z ₀ . Daerah yang ditunjukkan dengan warna hijau tua pada Gambar. 5b dan c mewakili daerah fokus laser di dalam photoresist, yang memungkinkan polimerisasi dengan intensitas cahaya di atas ambang batas polimerisasi. Ukuran fitur yang berbeda dapat diwujudkan dengan menempatkan fokus laser pada z . yang berbeda posisi. Ukuran fitur w dicirikan oleh rata-rata lebar penuh setengah maksimum (FWHM, Gbr. 5c) dari fitur yang dibuat pada z yang sama posisi dalam satu larik.

Ilustrasi variasi posisi fokus laser di sepanjang z arah

Garis kisi periodik yang dibuat dengan posisi fokus laser yang berbeda diperoleh seperti yang disajikan pada Gambar. 6. Jarak periodik (PD ) antara garis kisi adalah 1 μ M. Dengan PD sedekat ini , fitur yang berdekatan mulai terhubung satu sama lain melalui polimerisasi ekstra di wilayah celah saat laser difokuskan dengan Δ z =500 nm (Gbr. 6a). Gugus yang keluar dari garis kisi dihasilkan dari polimerisasi tambahan. Selama proses 2PP, radikal bebas dihasilkan melalui pembelahan ikatan yang diinduksi laser dalam molekul fotoinisiator. Radikal tersebut terakumulasi dalam celah kecil antara fitur yang berdekatan, yang menghasilkan peningkatan konsentrasi radikal. Konsentrasi radikal yang tinggi ini dapat melebihi ambang polimerisasi dan dengan demikian menyebabkan polimerisasi yang tidak diinginkan. Selain itu, adhesi yang tidak stabil dari struktur terpolimerisasi ke substrat juga dapat dihasilkan. Dalam hal ini, struktur dapat dengan mudah tersapu selama proses pengembangan. Ketika fokus sinar laser lebih di dalam substrat, lebih sedikit photoresist yang dipolimerisasi. Seperti yang disajikan pada Gambar. 6b, garis kisi dengan lebar 78 nm dicapai dalam kasus ini. Namun, visibilitas struktur yang lemah juga dapat terlihat. Oleh karena itu, sangat penting untuk memiliki posisi fokus laser yang tepat selama proses polimerisasi tidak hanya untuk resolusi yang lebih tinggi tetapi juga untuk adhesi struktur yang lebih baik ke substrat.

Pengaruh posisi fokus laser pada pembentukan struktur. Bahan:E-shell 300. a Garis kisi vertikal dibuat dengan fokus laser lebih banyak di dalam photoresist. Intensitas laser untuk fabrikasi I =0,71 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 1,55 mW), jarak fokus laser relatif Δ z =500nm Polimerisasi ekstra antara fitur dihasilkan, dan fitur yang berdekatan terhubung. b Garis kisi vertikal dibuat dengan fokus laser lebih banyak di dalam substrat. Intensitas laser untuk fabrikasi I =0,65 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 1,4 mW), posisi fokus laser relatif Δ z =0nm

Mengenai pengaruh posisi fokus laser pada ukuran fitur, penyelidikan efeknya pada garis kisi yang dibuat di x y pesawat dilakukan. Dengan meningkatkan jarak relatif z , diperoleh garis kisi yang dibuat di bawah posisi fokus laser yang berbeda. Lebar garis kisi yang diukur w _l tergantung pada posisi fokus laser relatif diplot sebagai titik-titik yang disajikan pada Gambar. 7a. Intensitas laser yang digunakan untuk fabrikasi adalah 0,85 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 1,84 mW). Kurva merah menunjukkan hasil fit elips di mana sumbu utama konsisten dengan z sumbu. Elips yang sesuai direkonstruksi (lihat sudut kanan bawah Gambar 7a) menggunakan rumus elips \(\left (\frac {x}{a}\kanan)^{2}+\left (\frac {400-y }{b}\kanan)^{2}=1\), di mana (400,0) adalah pusat elips, b =90 adalah sumbu semi-minor, a =5.65b adalah sumbu semi-mayor, x mewakili jarak relatif z sepanjang sumbu utama, dan y mewakili setengah dari ukuran fokus L yang berada di sepanjang sumbu minor. Hasilnya menunjukkan bahwa lebar garis mengikuti ukuran penampang fokus laser yang berubah sepanjang sumbu utama geometri elips voxel. Ketika posisi relatif z =50 nm, garis kisi dengan ukuran fitur w _l =130 nm direalisasikan (Gbr. 7b). Selain itu, dengan mengurangi intensitas laser, garis kisi dengan w _l =100 nm diperoleh pada posisi fokus laser yang sama seperti yang disajikan pada Gambar 7c.

Garis kisi dibuat di x y pesawat sehubungan dengan jarak fokus laser relatif yang berbeda z . Bahan:E-shell 300. Kecepatan menulis 7 μ m/s diterapkan. a Lebar garis terukur dan kurva pas terhadap z . yang berbeda . Gambar di sudut kanan bawah adalah rekonstruksi elips yang sesuai dengan garis pas. b Garis kisi dibuat dengan intensitas laser I =0,85 kW/ μ m ² (dengan kekuatan laser P =1,84 mW). Jarak fokus laser relatif adalah z =50nm. c Garis kisi dibuat dengan intensitas laser I =0,78 kW/ μ m ² (dengan kekuatan laser P =1,69 mW). Jarak fokus laser relatif adalah z =50nm

Pengaruh posisi fokus laser pada ukuran fitur pilar juga diselidiki. Pilar diwujudkan dengan memindahkan titik fokus secara ortogonal ke bidang substrat, yang berada di bidang sumbu utama voxel (x z atau y z pesawat). Sebuah pilar tunggal dibuat dengan menggerakkan sinar laser sepanjang z arah dengan jarak 1 μ M. Gambar 8a adalah gambar SEM pilar yang diproduksi dengan intensitas laser dan jarak relatif yang berbeda z . Jarak antara pusat pilar yang berdekatan adalah 400 nm sepanjang x arah dan 500 nm sepanjang y arah. Intensitas laser ditingkatkan dari kiri ke kanan dengan langkah kira-kira 0,23 kW/ μ m ² (sesuai dengan daya laser 0,5 mW). Jarak relatif antara posisi fokus laser z dan posisi referensi z ₀ ditingkatkan dari bawah ke atas sepanjang arah vertikal. Gambar 8b menunjukkan diameter pilar yang diukur w _p mengenai intensitas laser dan jarak relatif z . Diameter pilar w _p diperoleh dengan mengukur FWHM-nya. Intensitas laser berada dalam kisaran 0,74–0,96 kW/ μ m ² . Dapat diamati bahwa w _p berkurang dengan penurunan keduanya z dan intensitas laser. Ketika z =150 nm, pilar dengan diameter w _p 110 nm dicapai dengan rentang intensitas laser yang relatif besar (0,74–0,81 kW/ μ m ² ). Dan ada juga jendela yang relatif stabil untuk ukuran pilar saat susunan pilar dibuat seperti yang disajikan pada Gambar. 8c–d, yang merupakan gambar SEM dari susunan pilar yang dibuat dengan intensitas laser I =0,74 kW/ μ m ² dan jarak relatif z =300nm. Rasio aspek pilar adalah sekitar 2. Ini menunjukkan bahwa reproduktifitas pilar berkinerja sangat baik.

Susunan pilar dibuat dengan intensitas laser yang berbeda dan jarak relatif fokus laser z . Bahan:E-shell 300. a Gambar pilar SEM dibuat dengan intensitas laser yang berbeda dan posisi fokus laser relatif. b Diameter pilar terukur w _p sehubungan dengan intensitas laser I dan jarak relatif z . Intensitas laser masing-masing 0,74 kW/ μ m ² , 0,81 kW/ μ m ² , 0,90 kW/ μ m ² , dan 0,96 kW/ μ m ² dengan korespondensi daya laser 1,59 mW, 1,75 mW, 1,94 mW, dan 2,07 mW. c Tampilan atas susunan pilar. d Gambar SEM dari susunan pilar dilihat dengan 45 ^∘

Fabrikasi Struktur Berkala dengan Ukuran Fitur dan Ukuran Celah Di Bawah Batas Difraksi

Berdasarkan penyelidikan masing-masing pada ukuran fitur garis kisi periodik (dibuat di x y bidang) dan pilar, struktur periodik resolusi tinggi yang diusulkan terdiri dari garis kisi dan pilar telah dibuat. Ukurannya 20×20 μ m dengan jarak periodik 200 nm antara pusat garis kisi dan pilar. Dalam karya ini, strategi untuk mencapai struktur resolusi tinggi dengan jarak periodik 200 nm dengan membuat garis kisi dan pilar secara terpisah dikemukakan. Dalam hal ini, jarak periodik PD antara garis kisi yang berdekatan dan pilar yang berdekatan adalah 400 nm. Selama proses polimerisasi, terdapat daerah celah yang lebih besar antara fitur ketika garis kisi dan pilar dibuat secara terpisah. Wilayah celah yang melebar untuk sementara ini memungkinkan untuk mengurangi akumulasi radikal, yang dapat menyebabkan polimerisasi yang tidak diinginkan di wilayah celah. Perlu dicatat bahwa posisi fokus laser juga harus disesuaikan selama proses fabrikasi. Struktur yang dibuat dengan posisi fokus laser yang tidak tepat disajikan pada Gambar 9a dan b. Dapat dilihat bahwa garis dan pilar terhubung ketika fokus laser terlalu banyak di dalam photoresist. Gambar 9c-f adalah gambar SEM dari struktur dengan fokus laser yang diposisikan dengan baik [23]. Dengan menempatkan posisi fokus laser dengan benar dan memanfaatkan strategi fabrikasi yang disediakan di atas, struktur dengan dimensi di bawah batas difraksi (lebar garis 110 nm, diameter pilar 135 nm, dan ukuran celah 65 nm) dapat direalisasikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9e.

Gambar SEM dari struktur periodik fabrikasi 2PP dengan P A =200nm Bahan:E-shell 300. Intensitas yang digunakan untuk pembuatan garis kisi:I =0,83 kW/ μ m ² ; pilar:Aku =0,6 kW/ μ m ² . Jarak fokus laser relatif untuk pembuatan garis kisi dan pilar adalah 300 nm. a –b Struktur periodik dibuat dengan pengaturan posisi fokus laser di dalam photoresist. c –d Gambar SEM struktur periodik dengan posisi fokus laser yang tepat. e Tampilan atas dari struktur yang dibuat dengan posisi fokus laser yang tepat. f Gambar SEM dari seluruh array