Микро/нано-структурирование и нелинейно-оптическая диагностика материалов с помощью фемтосекундного лазерного излучения и атомно-силовой микроскопии

• Автор: Яшунин, Дмитрий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Содержание диссертации

Введение
Глава 1. Нелинейно-оптическая ближнепольная диагностика металлических наноструктур с помощью иглы атомно-силового микроскопа и фемтосекундного лазерного излучения

1.1. Описание эксперимента и результаты

1.2. Численное моделирование и обсуждение экспериментальных результатов

Глава 2. Наноструктурирование поверхностей полимерных пленок с помощью иглы атомносилового микроскопа

2.1. Методика проведения эксперимента и результаты

2.2. Модели контактного взаимодействия иглы атомно-силового микроскопа с поверхностью

2.3. Обсуждение экспериментальных результатов

Глава 3. Генерация второй гармоники и двухфотонной люминесценции коллоидным раствором золотых наночастиц
3.1. Описание эксперимента
3.2. Результаты эксперимента
3.3. Обсуждение результатов
Глава 4. Микроструктурирование плавленого кварца бесселевыми пучками фемтосекундного лазерного излучения
4.1. Методика формирования микроканалов в плавленом кварце и результаты
4.2. Исследование изменения показателя преломления и волноведущих свойств микроканалов
4.3. Исследование лазерно-индуцированных дефектов
4.4. Химическое травление микроканалов с целью получения микрокапилляров с высоким аспектным отношением
Заключение
Литература

Введение
Одной из ключевых проблем современных технологий является миниатюризация производимых устройств. Для создания новейших компактных устройств необходимо разрабатывать новые методы формирования и диагностики структур с размерами, лежащими в микро- и нанометровом диапазонах. Важным направлением в данных областях исследований является применение оптических методов, основанных на использовании фемтосекундных лазерных импульсов, и методов атомно-силовой микроскопии, которые позволяют достичь высокого пространственного разрешения и реализовать нелинейные механизмы формирования и диагностики структур.
Фемтосекундное лазерное излучение широко используется для создания микроструктур в оптических средах и позволяет создавать пассивные устройства фотоники, такие как, например, оптические разветвители и брэгговские волноводы [1]. Фемтосекундный режим обработки имеет существенные преимущества перед режимами, использующими лазерные импульсы большей длительности, благодаря возможности вводить в материал значительную энергию за очень короткий промежуток времени, порядка 10'14-10'13 с (еще до начала процессов тепловой диффузии). В результате зона теплового воздействия (в которой происходит плавление материала с последующей его солидификацией) значительно уменьшается. Нелинейность процесса воздействия также может приводить к дополнительному ограничению области модификации. Эти причины приводят к высокой точности фемтосекундной лазерной микрообработки материалов. Благодаря чрезвычайно высокой интенсивности излучения возрастает вероятность многофотонных процессов поглощения, вследствие чего при помощи доступных источников фемтосекундного лазерного излучения ближнего инфракрасного диапазона поддаются эффективной обработке даже широкозонные диэлектрики и полупроводники [2, 3].
Наиболее распространенным методом лазерного микроструктурирования является многоимпульсное воздействие при фокусировке излучения микроскопическими объективами с большой числовой апертурой вглубь материала и перемещении образца, что позволяет создавать однородные протяженные волноведущие структуры в широком диапазоне материалов [4-11]. В качестве материала для фемтосекундного лазерного микроструктурирования наибольшее распространение получил плавленый кварц, благодаря своей доступности и оптической прозрачности вплоть до ультрафиолетового диапазона длин волн. Лазерное микроструктурирование плавленого кварца при использовании остро

сфокусированных гауссовых пучков на данный момент хорошо исследовано и позволяет создавать волноведущие микроканалы с изотропным и анизотропным распределениями показателя преломления [12, 13], брэгговские волноводы (Bragg grating waveguides) [14], трехмерные волноведущие структуры, такие как оптические разветвители [15]. Не смотря на большие успехи в области фемтосекундной лазерной обработки плавленого кварца возможности такого режима воздействия для создания структур с заданными оптическими свойствами ограничены.
Вместо микроскопических объективов для фокусировки фемтосекундного лазерного излучения могут быть использованы конические аксиконные линзы, которые формируют бездифракционный бесселев пучок. Аксиконная фокусировка позволяет создавать в объеме прозрачного для оптического излучения диэлектрика или полупроводника протяженные (до нескольких сантиметров) тонкие каналы модифицированного вещества в одноимпульсном режиме воздействия [16, 17], который принципиально отличается от многоимпульсного режима при использовании остро сфокусированных гауссовых пучков. Режим многократного воздействия бесселевыми пучками на одно и то же место образца также приводит к формированию микроканалов [18, 19]. Не смотря на то, что в плавленом кварце микроканалы в режиме одноимпульсного воздействия при аксиконной фокусировке были получены довольно давно, их оптические свойства и механизм формирования остаются не исследованными.
Модифицированное вещество плавленого кварца при многоимпульсном воздействии остро сфокусированными гауссовыми пучками лазерного излучения может быть селективно протравлено в растворах плавиковой кислоты HF [20] и гидроксида калия КОН [21], что открывает перспективы для создания функциональных мнкрофлюидных структур, востребованных в областях биохимической и медицинской диагностики [22]. Так, при химическом травлении микроканалов в растворе плавиковой кислоты были получены трехмерные системы микрокагшлляров [23], которые могут быть объединены с волноведущими структурами для формирования оптофлюидных устройств [22]. Важно отметить, что травление в растворе КОН обладает большей селективностью по сравнению с травлением в растворе HF и позволяет формировать микрокапилляры с наиболее высоким аспектным отношением [21].
Микроструктуры, сформированные в плавленом кварце при многоимпульсном воздействии бесселевыми пучками также селективно травятся в растворе плавиковой кислоты, что было использовано для получения микрокапилляров [19]. Однако, травление микроканалов, сформированных в режиме одноимпульсного воздействия, в растворах плавленого кварца и гидроксида калия не изучено.

значительно превосходит модуль Юнга образца (модуль Юнга кремния 110-160 ГПа, полистирола - 2.5 ГПа [76]), для оценок можно записать:
Зная радиус области соприкосновения аг, можно оценить давление рго, оказываемое зондом АСМ на поверхность образца:
В режиме, когда сила адгезии, действующая между зондом и образцом, сравнима с приложенной силой, ситуация становится более сложной для анализа. В этом случае для описания контакта между иглой АСМ и образцом вводится безразмерный параметр /и -отношение величины упругой деформации в области соприкосновения к расстоянию, на котором действуют поверхностные силы [77]
Здесь IV - работа сил адгезии (равная удвоенной поверхностной энергии), 20 — равновесное расстояние между атомами материала образца и иглы АСМ для потенциала Леннард-Джонса.
Когда величина параметра Д большая (/г >5) упругие деформации в контакте хорошо описываются моделью ЖИ. (Зопэоп-КепбаЦ-КоЬейз) [78], при небольших значениях Д (д <0.1) упругими деформациями можно пренебречь, и необходимо использовать модель Дерягина-Мюллера-Торопова (ДМТ) [79]. В промежуточном режиме хорошо работает модель Маугиса-Дагдейла (Ма1щ1з-В1щс1а1е) [80, 81].
Модель Маугиса-Дагдейла описывает деформации и адгезионные силы, возникающие при упругом контакте зонда АСМ с поверхностью образца под действием нормальной силы. Согласно этой модели область непосредственного контакта (нулевое расстояние) между двумя поверхностями ограничена кругом радиусом а, как показано на рисунке 2.7а.
Взаимное притяжение между поверхностями происходит в круглой области, имеющей больший радиус с . В кольцевой области а<г<с поверхности находятся на небольшом расстоянии друг от друга, которое увеличивается от нуля при г = а до ка при г = с .
Е' » Е2,

(2.3)
(2.4)