一種基于光致變色材料的超分辨加工技術(shù) 轉(zhuǎn)載于漢斯學(xué)術(shù)交流平臺(tái)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們

一種基于光致變色材料的超分辨加工技術(shù) 內(nèi)容總結(jié)：

近些年來(lái)，納米級(jí)設(shè)備的應(yīng)用被廣泛的報(bào)道，例如：負(fù)性反射率的人造超材料 [1] ，光子結(jié)構(gòu)控制光流 [2] (即光子晶體，波導(dǎo))，以及大容量的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備 [3] 。微小的納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)電子束光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用光學(xué)顯微鏡在光敏材料上進(jìn)行加工相較而言比較便宜而且方便。但是，由于光的衍射特性，能夠被加工的最小尺寸，通常限制在所用光的波長(zhǎng)的一半。幾種有效的方法被提了出來(lái)以提高光學(xué)光刻加工的分辨率。Min Gu等利用徑向偏振光束采用雙光子吸收機(jī)制制作了一種高容量的磁盤(高達(dá)3 TB) [4] 。Scott等人利用光敏材料的光引發(fā)以及光抑制特性制作了一種次衍射結(jié)構(gòu)(100 nm) [5] 。類似于STED顯微鏡，在這種方法中，寫入光束被緊緊地聚焦在光敏材料上，隨后引入第二光束來(lái)抑制抗蝕劑的聚合，這道光束在聚焦區(qū)域具有環(huán)狀分布的。由于受到抑制，位于環(huán)狀中心的光敏材料得以聚合。Min Gu等利用高感光性的樹脂的快速固化特性進(jìn)一步改進(jìn)了這一方法 [6] 。

內(nèi)容：

1. 背景介紹近些年來(lái)，納米級(jí)設(shè)備的應(yīng)用被廣泛的報(bào)道，例如：負(fù)性反射率的人造超材料 [1] ，光子結(jié)構(gòu)控制光流 [2] (即光子晶體，波導(dǎo))，以及大容量的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備 [3]

微小的納米結(jié)構(gòu)可以通過(guò)電子束光刻來(lái)實(shí)現(xiàn)

然而，其實(shí)驗(yàn)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜，而且實(shí)驗(yàn)設(shè)備非常昂貴

利用光學(xué)顯微鏡在光敏材料上進(jìn)行加工相較而言比較便宜而且方便

但是，由于光的衍射特性，能夠被加工的最小尺寸，通常限制在所用光的波長(zhǎng)的一半

幾種有效的方法被提了出來(lái)以提高光學(xué)光刻加工的分辨率

Min Gu等利用徑向偏振光束采用雙光子吸收機(jī)制制作了一種高容量的磁盤(高達(dá)3 TB) [4]

Scott等人利用光敏材料的光引發(fā)以及光抑制特性制作了一種次衍射結(jié)構(gòu)(100 nm) [5]

類似于STED顯微鏡，在這種方法中，寫入光束被緊緊地聚焦在光敏材料上，隨后引入第二光束來(lái)抑制抗蝕劑的聚合，這道光束在聚焦區(qū)域具有環(huán)狀分布的

由于受到抑制，位于環(huán)狀中心的光敏材料得以聚合

Min Gu等利用高感光性的樹脂的快速固化特性進(jìn)一步改進(jìn)了這一方法 [6]

此外，吸光度調(diào)制光學(xué)光刻(AMOL) [7] [8] [9] 也是一個(gè)有效的光學(xué)制造方法

這種方法是基于光致變色材料的光學(xué)性能

本論文里面，主要通過(guò)環(huán)形光調(diào)制光致變色材料的吸收光譜來(lái)實(shí)現(xiàn)間接調(diào)制激光直寫光源來(lái)達(dá)到超分辨率納米探針的效果

文章結(jié)構(gòu)安排如下，在第一段介紹激光制造領(lǐng)域的現(xiàn)狀

第二段里面主要介紹光致變色材料光學(xué)特性以及獲得超分辨激光納米探針的方法

第三段主要介紹理論模擬方法以及實(shí)現(xiàn)87 nm光學(xué)探針的系統(tǒng)要求

我們的結(jié)果在最后段里面得到總結(jié)

2. 光致變色材料光學(xué)屬性及ASML光學(xué)系統(tǒng)如

圖1(a)所示，光致變色材料有兩種吸收狀態(tài)A和B

光λ2在狀態(tài)A被強(qiáng)烈地吸收，然而在狀態(tài)B幾乎不被吸收

當(dāng)光致變色材料被光λ1照射時(shí)，其對(duì)光致變色層的吸收狀態(tài)從狀態(tài)A轉(zhuǎn)變到了狀態(tài)B，當(dāng)被光λ2照射時(shí)，其又將從狀態(tài)B轉(zhuǎn)換回它的初始狀態(tài)A

AMOL的示意

圖如

圖1(b)所示，它由兩個(gè)光源組成

一個(gè)是寫入光束，寫入光束在聚焦區(qū)域引起了Airy斑(

圖2(a)中的藍(lán)色曲線)

另一個(gè)是“擦除”光束λ2，擦除光束在聚焦區(qū)域呈現(xiàn)環(huán)形分布(

圖2(a)中的綠色曲線)

我們?cè)谀繕?biāo)樣品上涂了一層光致變色材料(即光致抗蝕劑)

聚焦區(qū)域的細(xì)節(jié)如

圖2(b)所示

由于呈現(xiàn)環(huán)狀分步的光束λ2的存在，在聚焦區(qū)域的光致變色層的吸收特性呈現(xiàn)不均勻分布

被光束λ2照射的區(qū)域，有對(duì)寫入光束λ1有很強(qiáng)的吸收，而位于環(huán)狀中心的區(qū)域幾乎不吸收寫入光束λ1

由于吸收層的緣故，聚集區(qū)域的光場(chǎng)分布被有效地調(diào)制

有幾個(gè)因素會(huì)影響到聚焦區(qū)域的特性：環(huán)狀區(qū)域的直徑大小(f)，光致變色層的厚度(t)、吸收系數(shù) σ A ，這里，我們假設(shè) σ B = 0

3. 理論模擬光在ASML系統(tǒng)中的強(qiáng)度分布據(jù)我們所知，關(guān)于材料吸收特性的矢量Debye理論尚有待研究

在這里，我們利用矢量Debye理論





(a) (b)

Figure 1. (a) Illustration of the transition of the absorption states of photochromic material. The photochromic material at state A, it possesses a strong absorption at λ1 while at state B, it is transparent at λ1; (b) Schematic drawing of the concept of AMOL for supper-resolution fabrication. A thin photochromic layer is deposited on the target sample. Beam 1 (λ1), which possesses an Airy spot shape in focal region, is the writing beam. Beam 2, which induces a doughnut spot in the focal region, is the “erasing” beam. DM: dichroic mirror

圖1. (a) 光致變色材料光學(xué)特性示意

圖

此材料在狀態(tài)A情況下對(duì)于光λ1有著很強(qiáng)的吸收，在狀態(tài)B下對(duì)于光λ1透明；(b) 超高分辨率AMOL加工技術(shù)示意

圖

很薄的光致變色材料鍍?cè)诒患庸さ墓饷舨牧仙?br>
激光直寫光λ1聚焦在物體上形成Airy斑

光λ2，也叫“擦除斑”，經(jīng)過(guò)vortex盤照射在物體上，行程環(huán)形光斑

DM：分色鏡





(a) (b)

Figure 2. (a) Numerical calculation of intensity distributions along transversal direction in the focal region of light beam 1 (λ1, blue curve) and light beam 2 (λ2, green curve); (b) Propagation of light beam 1 (λ1) through the photochromic layer. The absorbance of photochromic layer is modulated according to the doughnut focusing spot of light beam λ2. σA, σB represent the absorption coefficients of state A, B at wavelength λ1, respectively t: thickness of photochromic layer. f: diameter of the area, where the photochromic layer is transparent (σB ≈ 0) to the light beam 1 (λ1)

Figure 2. (a) 兩種激光在物鏡交面上的電磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

λ1 為藍(lán)線，λ2 為綠線；(b) λ1 通過(guò)光致變色層的傳播情況

由于環(huán)形光的原因，光致變色材料被λ2 照射過(guò)的地方對(duì)于λ1 光的吸收系數(shù)改變?yōu)棣褹，而中間部分φ對(duì)于λ1 光吸收系 數(shù)σB，幾乎為零

光致變色材料厚度為t首次提出數(shù)值計(jì)算結(jié)果

具體的數(shù)學(xué)公式的推導(dǎo)將已在論文 [11] 中討論過(guò)

在這一部分，我們主要是關(guān)于這些因素的理論研究

我們的目標(biāo)是生成小尺寸但是具有合適的強(qiáng)度的納米級(jí)刻針來(lái)用于超高分辨率的光學(xué)制造

在數(shù)值計(jì)算中，我們假設(shè)光致變色層與光致抗蝕劑交界處沒有反射

在低吸收率的情況下， σ A = 1 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] ，在聚焦區(qū)域的光強(qiáng)分布是關(guān)于光致變色層厚度(t)的函數(shù)，如

圖3所示

圖中白線的內(nèi)部區(qū)域表示光致變色材料處于狀態(tài)A

符號(hào)“Ref”表示在沒有吸收層條件下的光強(qiáng)分布

數(shù)值參數(shù)：NA = 0.6，n = 1，圓環(huán)直徑f = 200 nm，λ1 = 532 nm

顯然，當(dāng)光致變色層的厚度從0增加到1 μm時(shí)，聚焦區(qū)域的場(chǎng)分布被有效調(diào)制

EM場(chǎng)沿光軸方向衰減劇烈，徑向方向衰減也很明顯

然而，由于吸收系數(shù) σ A 不夠高，圓環(huán)直徑較大(f = 200 nm)，在徑向方向的限制沒有很好的增強(qiáng)

在理想情況下，目標(biāo)位置上的聚焦光斑的尺寸應(yīng)該是在230 nm (t = 0.9 μm)

圖4顯示了具有高吸收的 ( σ A ( 6.8 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] ) ) 以及小的環(huán)狀尺寸(f = 60 nm)的聚焦光斑的強(qiáng)度分布的計(jì)算

很明顯，當(dāng)光線到達(dá)底層目標(biāo)材料時(shí)，聚焦光斑尺寸顯著減小

然而與參考PSF相比，在吸收層的存在下，聚焦光斑的強(qiáng)度顯著減小

當(dāng)光致變色層厚度大于0.5 μm時(shí)，強(qiáng)度降到了0

在光學(xué)成像光學(xué)加工的情況，聚焦光斑的大小和強(qiáng)度都特別重要

如果光的強(qiáng)度比較小，例如在光致抗蝕劑



Figure 3. Calculated intensity distribution in the focal region as a function of the thickness (t) of photochromic layer. The simulation parameters are: NA = 0.6, n = 1.0, f = 200 nm, σ A = 1 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] 當(dāng)光致變色材料厚度t 變化是光在交面上分布情況

這里采用的相關(guān)參數(shù)是：NA = 0.6, n = 1.0, f = 200 nm, σ A = 1 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] uf8f9



Figure 4. Calculated intensity distribution in the focal region as a function of the thickness (t) of photochromic layer. The simulation parameters are: NA = 0.6, n = 1.0, f = 60 nm, σ A = 6.8 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] 藍(lán)色柱子所代表的是焦點(diǎn)處強(qiáng)度分布的半高寬

紅色柱子所代表的是納米探針最高值和參考光最高強(qiáng)度的 比值

從上到下這五個(gè)

圖是當(dāng)φ從20 nm~100 nm 半高寬和強(qiáng)度比值的分布

圖

藍(lán)色虛線圈出的地方是相對(duì)最好的幾 個(gè)參數(shù)的搭配結(jié)果

此時(shí)FWHM = 87 nm 又擁有著70% of 高強(qiáng)度光分布

這里所使用的參數(shù)是 NA = 0.6, n = 1.0, f = 60 nm, σ A = 6.8 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] 的聚合作用下，所期望的結(jié)構(gòu)不能被實(shí)現(xiàn)

利用一個(gè)高強(qiáng)度的吸收層 ( σ A ( 6.8 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] ) ) ，我們研究了圓環(huán)光束的大小(f)，對(duì)聚焦區(qū)域光強(qiáng)分布的影響

計(jì)算結(jié)果如

圖5所示

紅色條表示計(jì)算得到的聚焦光斑的FWHM的橫向尺寸(在樣品的表面)

藍(lán)色條表示聚焦區(qū)域的峰值強(qiáng)度，這依據(jù)參考情況(無(wú)光致變色層) (參考PSF)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化



Figure 5. Calculated FWHM of transverse focusing spot size (blue bar) and the ratio (red bar) of peak intensity of nano-pointer and the peak intensity of reference beam as a function of film thickness and the size of STED beam (f). The f is changed from 20 nm to 100 nm from the top to the bottom. The blue dotted circled area is considered as an optimal result of nano-pointer, where the FWHM = 87 nm and it preserves 70% of total intensity of reference beam. The simulation parameters are: NA = 0.6, n = 1.0, σ A = 6.8 × 10 6 [ l / ( mol ? cm ) ] 我們研究了圓環(huán)大小，f從20 nm到100 nm的變化范圍

很明顯，在厚的吸收層區(qū)域(t > 0.5 μm)，當(dāng)f小于50 nm時(shí)(

圖5(a)，(

圖5(b))，聚焦光斑尺寸小于λ/10

然而，在這些范圍內(nèi)，光的強(qiáng)度降低到僅1%的參考PSF

這樣高的能量損失不適用于類似雙光子吸收聚合等應(yīng)用

然而，對(duì)于低單光子(LOPA)吸收顯微鏡 [10] [11] 可能是一個(gè)很好的工具

主要是由于這種方法不需要高強(qiáng)度的激勵(lì)光束

當(dāng)f比較大的時(shí)候(

圖5(e))，聚焦區(qū)域的大小不再限于納米級(jí)(>100 nm)

圖5(c)呈現(xiàn)了焦點(diǎn)大小和強(qiáng)度大小的較樂觀情況

這表明，當(dāng)厚度t = 0.1 μm (綠色虛線環(huán))時(shí)，聚焦光斑的大小僅為87 nm，聚焦強(qiáng)度保留了總強(qiáng)度的70%以上

這個(gè)小尺寸高強(qiáng)度的“納米刻針”，可用于許多應(yīng)用場(chǎng)景，如超高分辨率光學(xué)結(jié)構(gòu)的制作，納米器件等

4. 結(jié)論

在本中，提出了一種新的基于材料光致變色特性來(lái)制造超高分辨率納米結(jié)構(gòu)技術(shù)

這種方法可以大大簡(jiǎn)化目前復(fù)雜的三維超高分辨率顯微鏡配置

僅僅利用一個(gè)暗環(huán)振幅掩模調(diào)制的光源，就能夠生成三維圓環(huán)聚焦點(diǎn)

然后，根據(jù)光致變色材料的光學(xué)特性，我們理論上提出了一種能夠產(chǎn)生87 nm聚焦光斑的“納米刻針”系統(tǒng)

NOTES*通訊作者

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標(biāo)簽：超分辨,納米加工,光刻技術(shù),Super-Resolution,

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