Strukturierung via Optical Saturable Transitions - Herstellung und Charakterisierung
Summary
We report that the diffraction limit of conventional optical lithography can be overcome by exploiting the transitions of organic photochromic derivatives induced by their photoisomerization at low light intensities.1-3 This paper outlines our fabrication technique and two locking mechanisms, namely: dissolution of one photoisomer and electrochemical oxidation.
Abstract
This protocol describes the fabrication and characterization of nanostructures using a novel nanolithographic technique called Patterning via Optical Saturable Transitions (POST). In this technique the chemical properties of organic photochromic molecules that undergo single-photon reactions are exploited, enabling rapid top-down nanopatterning over large areas at low light intensities, thereby, allowing for the circumvention of the far-field diffraction barrier.4 Simple, cost-effective, high throughput and resolution alternatives to nanopatterning are being explored, such as, two-photon polymerization5,6, beam pen lithography (BPL)7, scanning electron beam lithography (SEBL), and focused ion beam (FIB) patterning. However, multi-photon approaches require high light intensities, which limit their potential for high throughput and offer low image contrast. Although, electron and ion beam lithographic processes offer increased resolution, the serial nature of the process is limited to slow writing speeds, which also prevents patterning of features over large areas. Beam-pen lithography is an approach towards parallel near-field optical lithography. However, the gap between the source of the beam and the surface of the photoresist needs to be controlled extremely precisely for good pattern uniformity and this is very challenging to accomplish for large arrays of beams. Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) is an alternative optical nanopatterning technique for patterning sub-wavelength features1-3. Since this technique uses single photons instead of electrons, it is extremely fast and does not require high light intensities1-3, opening the door to massive parallelization.
Introduction
Optische Lithographie ist von zentraler Bedeutung bei der Herstellung von Nanostrukturen und Geräte. Erhöhte Fortschritte in neue Lithographietechniken hat die Fähigkeit, neue Generationen von neuartigen Geräten zu ermöglichen. 8-11 In diesem Artikel wird eine Überprüfung einer Klasse von optischen Lithographietechniken, die tiefen Unterwellenlängenauflösung mit Hilfe neuartiger photo Moleküle zu erreichen präsentiert. Dieser Ansatz wird als Strukturierung über Optical-Saturable Transitions (POST). 1-3
POST ist ein neuartiges Nanotechnik, die auf einzigartige Weise die Ideen der Sättigung optische Übergänge von photochromen Moleküle, insbesondere (1,2-Bis (5,5'-Dimethyl-2,2'-bithiophen-yl)) perfluorocyclopent-1-en. Umgangssprachlich wird diese Verbindung als BTE, Bild 1, wie sie in der stimulierten Emission-Depletion (STED) Mikroskopie 12 verwendet, bezeichnet, mit Interferenzlithographie, die es ein leistungsfähiges Werkzeug für larg machtE-Fläche parallel Nano tiefer Subwellenlängen Merkmalen auf einer Vielzahl von Oberflächen mit möglichen Erweiterung zu 2- und 3-Dimensionen.
Die photochrome Schicht ist ursprünglich in einem homogenen Zustand. Wenn diese Schicht auf eine gleichmäßige Ausleuchtung des λ 1 ausgesetzt wird, wandelt es sich in die zweite isomere Zustand (1c), Figur 2 ist. Dann wird die Probe mit einem fokussierten Knoten λ 2, der die Probe in der ersten isomeren Zustand (wandelt exponierten 1o) überall außer in der näheren Umgebung des Knotens. Durch Steuern der Belichtungsdosis, kann die Größe des nicht umgesetzten Region beliebig klein gemacht werden. Eine nachfolgende Fixierschritt von einem der Isomere kann selektiv und irreversibel konvertiert werden (verriegelt) in eine 3. Zustand (schwarz), um das Muster zu verriegeln. Als nächstes wird die Schicht gleichmßig auf λ 1, die alles außer dem gesperrten Bereich wandelt wieder auf den ursprünglichen Zustand ausgesetzt. DieSchrittfolge kann mit einer Verschiebung der Probe relativ zu der Optik wiederholt werden, was zu zwei gesperrten Bereichen, deren Abstand kleiner ist als die Fernfeld-Beugungsgrenze. Daher kann jede beliebige Geometrie in einem "Dot-Matrix" Mode strukturiert werden. 1-3
Protocol
Representative Results
Discussion
The fabrication, experimental setup and related operational procedures of Patterning via Optical Saturable Transitions (POST) have been described. By exploiting the linear switching properties of thermally stable photochromic molecules, POST offers new perspectives on circumventing the far-field diffraction limit.1-2,4
Previously long-term storage requirement of the samples was solved by storing the samples under N2, directly after the initial evaporation.2 How…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Thanks to Michael Knutson, Paul Hamric, Greg Scott, and Chris Landes for helpful discussions and assistance related to the custom inert atmosphere sample holder and assistance in the University of Utah student machine shop. P.C. acknowledges the NSF GRFP under Grant No. 0750758. P.C. acknowledges the University of Utah Nanotechnology Training Fellowship. R.M. acknowledges a NSF CAREER Award No. 1054899 and funding from the USTAR Initiative.
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| 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 365nm | UVP Analytik Jena Company | UVGL-25 | CAUTION: Wear UV safety glasses |
References
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