В 1000 раз тоньше волоса

В совместном исследовании ученых из МФТИ, ИХФ им. Семенова, МГУ и ИПХФ был разработан механизм лазерного нанесения структур на стекло с разрешением в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса. Фокусировка лазера производилась с помощью маленьких стеклянных сфер, играющих роль линз. Такой механизм позволяет дёшево и достаточно просто наносить сложные структуры на поверхность стекла, получая при этом пространственное разрешение менее 100 нанометров — в 8 раз меньше, чем толщина луча используемого лазера.

Предложенный метод позволит достаточно быстро и дёшево создавать сенсоры и микросхемы наномасштабов. Как говорят учёные, он намного дешевле и технологически проще своих конкурентов, при том что позволяет наносить заданные с компьютера рисунки на поверхности стекла с приемлемым разрешением. Для демонстрации этого метода на стекло была нанесена аббревиатура Института Химической Физики (ICP) с высоким разрешением (около 100 нанометров). Наногравировка, в частности, используется для создания сверхточных схем в микрофлюидике: по выгравированным каналам может течь рабочая жидкость, соединяя различные части схемы, и размеры такой схемы тем меньше, чем больше разрешение гравировки.

Фемтосекундный лазер, используемый учёными, позволяет наносить сложные двумерные и трехмерные структуры на поверхность прозрачного материала. Разрешение — минимальный размер детали такой структуры — всегда проблема в такого рода задачах, так как оно ограничено снизу (по физическим соображениям) длиной волны лазера. Чем выше разрешение, тем меньше размер наносимых структур, и тем интереснее и востребованнее эти структуры в технологии.

Для улучшения разрешения очень часто применяют эффект ближнего поля. Этот способ предполагает фокусировку луча лазера, используя в качестве «линз», металлические наночастицы или слой диэлектрических микросфер. Однако эти методы усложняют нанесение, так как «линзы» фиксированы в пространстве.

В своей работе авторы предлагают другой подход: с помощью пучка света в жидкости создают своеобразную ловушку, куда помещают стеклянные микросферы. Преимущество такого способа фокусировки состоит в том, что эту «ловушку» можно передвигать, тем самым сдвигая «линзы» в пространстве и фокусируя лазер на необходимую область стекла.

Однако просто «провести» лучом лазера по поверхности недостаточно. Воздействие лазера приводит к образованию бугорков, а не впадин. Эти бугорки достаточно негладкие и широкие, однако воздействие щёлочи при температуре 90С превращает бугорки в гладкие ямки уже меньшей ширины. Если при таком двухшаговом структурировании достигается разрешения ниже 100 нанометров (нм), то при одношаговом, когда поверхность обрабатывается только лазером, точность получается не ниже 150-200 нм, в зависимости от сложности структур.

В итоге, вся технология нанесения выглядит следующим образом. Вначале поверхность стекла облучается фемтосекундным лазером. Импульс лазера фокусируется с помощью стеклянного шарика, который направляется с помощью оптической «ловушки», в заданную заранее область стекла. На поверхности стекла образуются широкие бугорки, которые затем, после обработки поверхности щелочным раствором, превращаются в ямки меньших размеров и более упорядоченных форм.

Помимо непосредственно технологии структурирования, в работе исследована зависимость разрешения, т.е. размеров кратеров, от мощности лазерного излучения. Результаты показывают, что для большей точности эффективнее всего использовать мелкие сферы, в результате чего разрешение может достигать ниже 100 нм.

Минимальная ширина кратера, полученного таким образом, была равна 70 нм. На рисунке ниже показан именно этот кратер, а на графике изображена форма кратера по двум осям.

Для практического применения этого метода помимо высокого разрешения необходимо также учитывать сложность нанесения комплексных структур. В работе показано, что можно нанести достаточно сложные структуры с помощью описанной техники. Для этого на поверхности стекла была нанесена аббревиатура Института Химической Физики — ICP (англ.: Institute of Chemical Physics). Средняя ширина каждой буквы составляла 100 нм, глубина — 20 нм (см. рис. ниже, масштаб — 500 нм).

«Создание тонких желобов и каналов может найти применение в производстве «микрофлюидиков» и различных «нанозаводов», которые применяются в химии и биологии», — говорит соавтор статьи, аспирант факультета общей и прикладной физики МФТИ — Александр Шахов.

В разработке маленьких точных сенсоров, работающих с жидкостью — «каналы» для жидкости наносятся именно такими методами. В работе же предлагается достаточно быстрый и дешевый механизм наноструктурирования. Такой подход, в частности, может позволить бытрое и технологически несложное создание дешёвых приборов и сенсоров путем нанесения сложных структур тонких желобов и каналов, по которым будет течь рабочая жидкость.