Introduction
Optik litografi nano ölçekli yapıları ve cihazların üretiminde kilit öneme sahiptir. Yeni litografi teknikleri artan gelişmeler yeni cihazların yeni nesillere sağlamak için yeteneğine sahiptir. 8-11 Bu makalede, bir yorum, yeni photoswitchable molekülleri kullanılarak derin alt dalga boyu çözünürlük elde optik litografi teknikleri bir sınıfın sunulmaktadır. Bu yaklaşım, Optik-Doyurulabilen Geçişleri (POST) üzerinden Desenlendirme denir. 1-3
POST benzersiz özel olarak ise, (1,2-bis (5,5'-dimetil-2,2'-bitiofen-il)) fotokromık moleküllerin optik geçişlerin saturasyon fikirleri birleştiren yeni bir nano sentezleme tekniği perfluorocyclopent-1-en olup. Halk arasında, bu bileşik, bu larg için güçlü bir araç yapar parazit litografi ile, örneğin uyarılmış emisyon deliği (STED'in) mikroskopi 12 kullanılanlar gibi BTE, Şekil 1, olarak adlandırılır2- ve 3-boyutlarına potansiyel uzantılı çeşitli yüzeyler üzerine derin subwavelength özellikleri e alan paralel nanopatterning.
fotokromik tabaka aslında bir homojen devlet. Bu tabaka, λ 1 üniform bir aydınlatma maruz kaldığında, ikinci izomerik durum (1c), Şekil 2'de dönüştürür. Daha sonra numune ilk olarak izomerik duruma örnek (dönüştürür λ 2, bir odaklanmış düğüm maruz 1o) her yerde düğümün yakın çevresinde dışında. Maruz kalma dozunu kontrol ederek, dönüştürülmemiş bölgesinin boyutu isteğe bağlı olarak küçük yapılabilir. Izomerlerden biri bir sonraki tespit adımı, ve geri dönüşü olmayan bir desen kilitlemek için (siyah) bir 3. durumuna (kilitli) dönüştürülebilir. Sonraki katman özgün durumuna kilitli bölgesi hariç her şeyi dönüştürür λ 1, muntazam maruz kalmaktadır.adımların sırası, aralarındaki mesafenin uzak-alan kırınım sınırından daha küçük olan iki kilitli bölgede elde edilen, optik numunenin bir yer değiştirme ile tekrar edilebilir. Bu nedenle, her hangi keyfi bir geometri "dot-matrix" bir şekilde paternli olabilir. 1-3
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
NOT: temiz oda sınıfına 100 koşullar ya da daha iyi altındaki tüm aşağıdaki adımları uygulayın.
1. Numune Hazırlama
- (: Tehlikeli kimyasallar Dikkat) 2 dakika için tamponlu Oksit Asitli (BOE) çözeltisi (6 kısım% 40 NH 4 F ve 1 kısım% 49 HF) ile 2 "çapında silikon gofret temizleyin. Yüzeyde herhangi bir organik veya kirleri çıkarmak için bu aşındırma zamanı seçin. Yaklaşık 5 dakika süre ile deiyonize (Di) su ile durulayın. Kuru N 2 kuru gofret.
NOT: HF kullanırken yalnız işe asla. Her zaman dökülmeleri durumunda yüz kalkanı ve kişisel koruyucu ekipman (KKE) ile göz koruması giyer. Aşındırma yapılır laboratuar kullanımı ve HF atık taşıma için Mesaj kurallar.
NOT: elektrokimyasal kilitleme içindir 1,2-1,7 adımları. Fesih yoluyla kilitleme performans ise 2. Adıma geçin. - Çalışma elektrodu yatıp temiz 2 "çap Silic üzerine Platin (Pt) 100 nm fışkırmasınagofret.
- Platin ince film gravür önce, önceki kuru asitle yıkama herhangi bir yabancı madde veya artık fotodirenç RIE odasınıtemizleme.
- Torr elde edilir 1 × 10 -5 taban basıncı kadar odasını aşağı Pompa. RF güç 200 W ayarlanır ve oksijen ve argon için akış oranları sırasıyla 50 sccm'lik ve 10 sccm'lik ayarlanmış olduğundan emin olun. Ar / O 2 plazma ateşleyin ve en az 1 saat süre ile çalıştırın.
- Ar / O 2 plazma kapatın ve oda yaklaşık 10 dakika havalandırma sağlar.
- Platin ince film yüzeyini etch için, RIE odasına örnek yüklemek ve 1 × 10 -5 Torr taban basıncı aşağı odasına pompa. Bu sefer 0 sccm'lik argon akış hızını ayarlamak. O 2 plazma ateşleyin ve bu süreç 30 dakika çalıştırın.
- O 2 plazma kapatın ve oda 10 dakika havalandırma sağlar.
Özel L kullanma Fotokromık Molekülünün 2. Termal Buharlaştırmaow Sıcaklık Evaporatör (LTE)
- BTE 30 mg AlO 2 tekne doldurun ve özel LTE kaynağı (Şekil 6) yüklemek.
- Numune yükleyin silikon gofret monte.
- Mühür odası limanlar ve pompa odası 1 x 10 -6 Torr taban basıncı aşağı.
- 30 nm bir film kalınlığına sahip, 100 ° C'lik bir çıkış sıcaklığı değerinde BTE buharlaştırın.
- Hemen buharlaştırma sonrası, sel, kapalı forma 1c BTE malzeme dönüştürmek için UV 5 dk örnek aydınlatmak.
- Örnek büyüklüğünü tanımlamak için, silikon yüzeyinin kenarından bir çizgi kazımak için bir elmas çizici kullanarak gofret küçük bir parça bölmektedir. Karalama hattının her iki tarafında gofret tut ve kristal düzlemi boyunca kopana kadar aşağıya gofret bükün.
- BTE ince film kalınlığı doğrulamak için profilometre ölçümleri yapın. Bunu yapmak için, ince bir kenar cımbız kullanarak örnek çizmeyin. Sağa sola adım yüksekliğini ölçünm sağ ve sol imleç pozisyonu arasındaki yükseklik farkı olan bu çizik.
NOT: film kalınlığı yanlışlıklar poz doz farklılıklara neden olur. - N 2 dolu torpido gözü saklayın kalan örnek.
3. Sergilenmeler
NOT: numune bozulmasını önlemek için atıl atmosfer koşullarında tüm pozlama yapın.
- Aşama 2.6 de tarif edilen aynı prosedür takip edilerek örnek bölmektedir.
- Atıl atmosfer numune tutucuya yük örneği.
- Sahnede atıl örnek tutucu monte edin. N 2 ile Temizle örneği.
- Böyle Şekil 8'de gösterildiği gibi bir interferometre'yi kullanılarak istenilen pozlama süresi örnek Açığa.
Üç Elektrot Hücre Kullanılması 4. Elektrokimyasal oksidasyon
NOT: numunenin bozulmasını önlemek için atıl bir atmosfer koşulları altında elektrokimya yapın.
- Sıcak bir plaka üzerine temiz bir cam şişe sıkıştırın. Şişe içinde temiz bir karıştırma çubuğu yerleştirin. Karıştırıcı açın.
- Metanol ile yeni bir bakır klip temizleyin. Metanol ile platin elektrot sayacı temizleyin.
- Temiz bir bakır klibi kullanarak, teflon şişe kapağı deliklerden biri aracılığıyla örnek klibi. Sadece maruz kalan platin üzerine klibi emin olun.
- Flakon üzerine teflon şişe kapağını yerleştirin. Platin karşı elektrot ve örnek tutarak bakır klibi üzerine siyah kurşun üzerine kırmızı kurşun Klip.
- Temiz bir şırıngayı kullanarak, teflon bir vial kapağa ikinci deliğin içinden süzülmüş deiyonize edilmiş (Di) su ile şişe doldurun. Numune üzerinde çıplak platin herhangi batırılarak olmadan yüksek doldurun.
- 3-5 dakika boyunca suda kabarcık azot. Azot kapatın.
- Teflon şişe kapağı ikinci deliğe referans elektrot yerleştirin. Referans elektrot üzerine beyaz kurşun Klip. Çıplak platin o emin olmak için kontrol edin hiçbirin örnek batırılır.
- Bir voltammograph kullanarak, 0,5 V / sn oksidasyon gerilimi ayarlayın.
- İstenilen oksidasyon süresi geçtikten sonra, voltammograph kapalı açın.
- Platin karşı elektrot, bakır klip ve referans elektrottan, kırmızı, siyah, beyaz klipleri çıkarın.
- 5 dakika boyunca UV örnek Açığa.
5. Numune Geliştirme - Elektrokimyasal Kilitleme
NOT: numune bozulmasını önlemek için atıl atmosfer koşullarında gelişme gerçekleştirin.
- Süzüldü 5 (ağırlıkça%), izopropanol örnek geliştirmek, istenen süre için 95 (% ağ) etilen glikol bulunmaktadır. Not: 80 nm örnekleri 60-180 saniye için geliştirilmiş Tipik olarak 50 nm örnekleri, 30-60 saniye için geliştirilmiştir.
- Kuru N 2 ile kuru numune.
- Hemen UV 5 dk örnek maruz.
6. Numune Geliştirme - Fesih Kilitleme
NOT: numune bozulmasını önlemek için atıl atmosfer koşullarında gelişme gerçekleştirin.
- Temiz bir cam beher içerisindeki etilen glikolün 100 ml kullanılarak, arzu edilen gelişme süre maruz örnek geliştirmek.
- Kuru N 2 ile kuru numune. Hemen UV 5 dk örnek maruz.
7. Çoklu Pozlama
- Birden fazla maruziyet tekrarını performans optik göre numunenin bir çeviri ile 3-6 arasındaki adımları edin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Fabrikasyon örnekler:
Siklik voltametri tespit 0.85 V oksidasyon geriliminde Şekil 3'te atomik kuvvet mikrograflar ile gösterildiği gibi farklı oksidasyon kez karakterize edilmiştir. 50 nm-kalınlıkta bir film 0.95 mW / cm2 'lik bir güç yoğunluğu ile 60 saniye süre 400 nm λ = 647 nm' de bir dik dalganın maruz bırakılmıştır. Oksidasyon süresi 25 dakika 10 dakika arası arttıkça 1O'da oluşan bazı bölgelerde de okside almak gibi, biri açıkça kontrast kaybına görebilirsiniz. Geliştirici (5 (ağırlık olarak%) izopropanol: 95 (% ağ) etilen glikol) tüm okside kısımları çözer. Büyük oksidasyon süreleri eşitsiz hat ve geliştirme sonra artan yüzey olmayan muntazamlıklara neden. Bu nedenle, oksidasyon koşulları dikkatli bir seçimi model verme yüksek kaliteli nanoyapılarda için çok önemlidir. 2
kapalı formda yüksek dipol momentiAçık biçime göre kapalı bir şekilde polar çözücüler içinde daha fazla çözünür olması için molekülü, 1c, 1o izin verir. Bu numunenin yarı kapalı formda, 1c dönüştürüldü Şekil 4'te temsil edilmektedir, ve diğer yarısı 1o açık forma dönüştürüldü. Numune, daha sonra çok sayıda farklı gelişim kez 100 (% ağırlık), etilen glikol geliştirilmiş ve daha sonra filmin kalınlığı bir profilometre ile ölçülen geri kalan. Bu grafikten çözünme kilitleme adım yüksek seçicilik görülmektedir. Kapalı biçimde, 1 c, kullanılabilir nanoimprint litografi kullanılan bir reaktif iyon dağlama (RIE) işleminin artık tabakasını kaldırmak için. 13
Fotokromik filmi kolayca UV maruz kaldığında orijinal durumuna kurtarabilirsiniz bu yana, birden fazla maruz fikri uzatmak kolaydır. Bu, tabii ki, oluşturmak için gerekli olanyoğun desenler. İşte, bu yaklaşımın uygulanabilirliği aynı ayakta dalganın iki poz yaparak gösterilen, ancak (Şekil 5) arasında bir ~ 45 ° dönme ile olan. Her bir maruz kalma, 1 dakika için λ = 647 nm'de, bir bekleme süresinden dalga 540 nm'de (olay yoğunluğu ~ 2.1 mW / cm2) ile Lloyd's ayna interferometre üzerinde yürütülmüştür. Ilk temastan sonra, numune 30 dakika boyunca 100 (% ağırlık), etilen glikol daldırıldı ve orijinal kapalı halka izomer 1 c molekülleri dönüştürmek için 5 dakika boyunca kısa dalga boylu UV ışığına maruz bırakılmıştır. Numune, daha sonra optik yaklaşık 45 ° 'döndürüldü ve duran dalga ikinci maruz uygulandı. Yine, örnek 30 dakika süreyle 100 (% ağırlık), etilen glikol daldırıldı. Her bir gelişme sonra, numune, deiyonize su ile durulanmış ve N2 ile kurutulmuştur. gelen atomik kuvvet mikrografıdır ~ 260 nm ya da & # gibi küçük aralıklı çizgiler giderir955; ayakta dalga süresinin yarısından daha az /2.5, 3.
Numune tutucu etkinliğini doğrulamak için, birkaç poz hat kenar pürüzlülüğü geliştirilmiş olsaydı görmek için yapılmıştır. Bir olay sinüs aydınlatma varsayarsak, ortaya çıkan özellik boyutu kolayca simüle edilebilir. Şekil 7'de, bu özellik boyutu mavi bir çizgi ile maruz kalma süresinin bir fonksiyonu olarak çizilmiştir. deneysel ölçülen değerler haçlar kullanılarak gösterilmiştir. Sadece montaj parametre olarak poz eşiğini kullanarak, bu basit model doğru deneysel sonuçlar açıklayabilir gösterilmiştir. Deneysel olarak elde edilen en küçük özellik boyutunun, ~ λ / 7.4 bir çizgi genişliğine tekabül eden ~ 85 nm idi. Pozlama süresi daha hassas kontrol daha küçük özelliklerini etkinleştirmeniz gerekir. Pozlama süresi arttıkça, simülasyon özelliği boyutu önemli ölçüde uzak alan kırınım li altına azaltılması gerektiğini gösterir unutmayınmit. Taramalı elektron mikroskop (SEM) görüntüleri, hat-kenar pürüzlülüğü atıl atmosfer numune tutucu kullanımı ile iyileşmiştir gösterilmiştir.
Şekil 1. Organik fotokromik molekül yapısı., 1c 1o, 1 açık formda var Bileşik ve kapalı form. Elektrokimyasal oksidasyon seçici 1ox için 1c dönüştürür.
Kayıt özelliği için gerekli adımları "kilitleme" Şekil 2. POST tekniği. Pozlama ve desenleme. (A) Elektrokimyasal oksidasyon. Bir photoisomer (B) Çözülme.
Şekil 3. İzole özellikler. Çeşitli oksidasyon zamanlarda numuneler için geliştirme sonra hatların Atomik kuvvet mikrograflan. 50 nm ~ 2 İnce film kalınlığı. [Cantu, P., ve ark izni ile yayımlanmaktadır. Fotokromık diarylethene filmlerin Subwavelength nanopatterning. Uygulaması. Phys. Lett., 100 (18), 183103]. Telif hakkı [2012], AIP Yayıncılık LLC. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 4. Erime hızı. Bu rakam 100 (ağırlıkça%) makro ölçekli 1c çözünürlüğünü ve 1o gösterir Etilene glikol. ~ 29 nm 3 İnce film kalınlığı. [Cantu, P., ve ark izni ile yayımlanmaktadır. Bir photoisomer. App seçici çözünmesi yoluyla diarylethene filmlerin Nanopatterning. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Telif hakkı [2013], AIP Yayıncılık LLC.
Bir çift pozlama Şekil 5. Deneysel gösteri Sol:.. POST kullanarak çift-pozlama için örnek şematik gösteren yönelimi Sağ: Oluşan desen Atomik kuvvet mikrografıdır. atomik kuvvet mikrografıdır yaklaşık aydınlatıcı ayakta dalga yarısı dönemi ~ 260 nm gibi özellikler arasındaki en küçük boşluk ortaya koymaktadır. 3 [Cantu, P., ve ark izni ile yayımlanmaktadır. Seçici disso ile diarylethene filmlerin Nanopatterningbir photoisomer bir dökülmesinden. Uygulama. Phys. Lett. 103 (17) 173112]. Telif hakkı [2013], AIP Yayıncılık LLC. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil 6. Özel evaporatör. POST tekniğinde kullanılan düşük sıcaklık ısıl buharlaştırıcı (LTE) resmi. 2 [Cantu, P., ve ark izni ile yayımlanmaktadır. Fotokromık diarylethene filmlerin Subwavelength nanopatterning. Uygulaması. Phys. Lett., 100 (18), 183103]. Telif hakkı [2012], AIP Yayıncılık LLC.
Tek bir developmen için maruz kalma süresi vs Şekil 7. LineWidthDeneysel veriler kullanılarak haçlar gösterilir ise t ve pozlama. olay simüle sinüs aydınlatma, bir katı mavi çizgi olarak gösterilir. 457 nm dönemi ile sinüs aydınlatma kabul edildi. Ankastre:. SEM görüntüleri , bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Şekil poz için kullanılan Mach-Zehnder enterforemetre kurulum 8. şematik. İlk yarım dalga plakası, her kolda gücünü kontrol etmek için kullanılır. İkinci yarı-dalga plaka polarizasyon kontrol etmek için kullanılır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 365 nm | 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).
