CC BY
46
ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ
Владимир Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор-консультант кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, заведующий кафедрой наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Денис Вячеславович Кочкарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Максим Викторович Кузнецов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант, техник кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Сергей Леонидович Шергин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Дмитрий Михайлович Никулин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Разработана простая методика визуализации процессов получения и преобразования наноструктур с характерными размерами порядка (5-50) нм на подложках. Наблюдается рассеяние света на нанообъектах вблизи наружной поверхности полного внутреннего отражения (вариант тёмнопольного освещения), в том числе в момент лазерного воздействия. Предусмотрено одномерное наноразмерное сканирование зоны облучения.
Ключевые слова: визуализация, наноструктуры, рассеяние света, полное
внутреннее отражение, лазерная обработка.
THE VISUALIZATION OF PROCESS OF SURFACE NANOSTRUCTURES CREATION
Vladimir V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Technical Sciences, Professor of Physics Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: [email protected]
Denis V. Kochkarev
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plahotnogo St., engineer of department of physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Maksim V. Kuznetsov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., technician of Department Physics, tel. (383)361-08-36, e-mail: [email protected]
Sergey L. Shergin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Associated prof. of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]
Dmitry M. Nikulin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer of Physics department, tel. (383)361-08-36, email: [email protected]
A simple method of visualization of processes forming and reforming nanostructures on substrates with characteristic dimensions (5-50) nm are developed. The light scattering on nanoobjects near external surface of total internal reflection (variant of dark-field illumination technique) are register, including moment of laser treatment. The one-dimensional nano scale scanning of irradiation area are provide.
Key words: visualization, nanostructures, light scattering, total internal reflection, laser treatment.
Для исследования нанообъектов в настоящее время широко
привлекаются методы электронной, атомно-силовой микроскопии, методы спектроскопии, и др. [1]; почти всегда исследования объектов проводятся после их получения и помещения в исследовательский прибор, то есть, не в ходе технологического процесса. Использование эффектов полного
внутреннего отражения света от границы раздела сред с разными
показателями преломления для характеризации нанообъектов привлекает возможностью измерять параметры наноструктур в ходе их образования, а также тем, что ширина зоны воздействия зондирующего излучения на объекты может быть в диапазоне единиц нм.
Одним из первых обратил внимание на возможность возбуждения флуоресценции в тонком слое среды, примыкающей к границе раздела, Л.И. Мандельштам. Использование затухающих волн падающего излучения для получения данных о спектре поглощения излучения за границей раздела сред рассматривается в работе [2]. В работах [3, 4] показано, что при флуоресцентной микроскопии с использованием полного внутреннего отражения достижима глубина резкости порядка 10 нм.
2
Ниже представлено описание простой лабораторной методики оптического исследования нанообъектов с размерами (5-50) нм в ходе их получения или преобразования лазерным воздействием, основанной на использовании эффектов рассеяния света наночастицами, находящимися в области затухающих волн падающего излучения вблизи поверхности полного внутреннего отражения. В соответствии с расчётом, при длине волны подсветки 450 нм и использовании подложки с показателем преломления п = 2,6 интенсивность излучения в зоне затухающих волн экспоненциально ослабевает в е раз при удалении от поверхности отражения на (16-43) нм и изменении угла падения от 70° до 30°. На самой поверхности интенсивность может превышать интенсивность падающего излучения в несколько раз, что позволяет изучать нанообъекты по их рассеивающей способности. На рис. 1, а схематически показана лазерная технологическая установка со столиком визуализации процесса лазерного формирования на поверхности подложки наноструктур.
Рис. 1. Визуализация процесса получения наноструктур на поверхности:
а - схема лазерной технологической установки со встроенным столиком визуализации нанообъектов; б - фотография участка массива дорожек, образованных лазерной обработкой поверхности лейкосапфировой подложки, подсвечиваемой снизу под углом, большим угла полного внутреннего отражения
Столик 5 устанавливается под объективом 6 лазерной установки, фокусирующим излучение лазера 7 на подложку 3, содержит оптическую призму Дове 1, верхняя грань которой снизу подсвечивается светодиодом 2; обрабатываемая прозрачная подложка 3 устанавливается с прослойкой 4
иммерсионной жидкости на призму сверху; световой пучок светодиода направлялся под углом 0, большим угла полного внутреннего отражения.
Угол 0 регулировался в пределах (30-70)°; при облучении лейкосапфировой подложки одиночными лазерными импульсами длительностью 6 нс с длиной волны излучения 0,355 нм и интенсивностью, необходимой для сублимации вещества, на её поверхности формировались ямки с глубиной, увеличивающейся от импульса к импульсу. Образующийся на дне ямок нанорельеф высотой порядка единиц нм приводил к рассеянию затухающих волн падающего излучения светодиода (иллюстрируется стрелками на частице 10) и наблюдался с помощью встроенного микроскопного узла, состоящего из объектива 6, полупрозрачного зеркала 8 и окуляра 9. Микроснимок приведён на рис. 1, б. Дно ямок при сублимационной обработке получается наноструктурированным, что выявляется при наблюдении в микроскоп как светящаяся область на тёмном фоне не облучаемой поверхности подложки. По мере увеличения числа лазерных импульсов облучаемые области постепенно становились видимыми, их яркость возрастала, что наглядно характеризовало эффективность лазерной обработки.
Разработанная методика использована при создании технологий увеличения внешнего квантового выхода светодиодов за счёт нанесения на излучающую гладкую поверхность светодиодного кристалла слоя наночастиц карбида кремния, имеющих средний размер (50-80) нм. На рис. 2 приведена микрофотография подложки с наночастицами на поверхности, демонстрирующая увеличение эффективности вывода излучения из подложки с большим показателем преломления в области с наночастицами.
Обнаружено, что нанесённые на излучающую поверхность светодиода при помощи скотча наночастицы увеличивают внешнюю квантовую эффективность на (50-200) %.
Рис. 2. Область поверхности подложки с наночастицами карбида кремния, имеющими размеры 50 - 80 нм. Свечение возникает при рассеянии
излучения подсветки, падающего изнутри подложки на поверхность под углом больше полного отражения, на наночастицах поверхности Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках ГК № 14.513.11.0101.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Суздалев И.П. Физикохимия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. -М.: КомКнига, 2006.
2. Харрик Н. Спектроскопия внутреннего отражения. - М.: Мир, 1970.
3. Saffarian S., Kirchhausen T. Differential evanescence nanometry: live-cell fluorescence measurements with 10-nm axial resolution on the plasma membrane // Biophys J. - 2008. -V. 94. -P. 2333-2342.
4. Highly confined surface imaging by solid immersion total internal reflection fluorescence microscopy / Lin Wang et al. // Optics Express. - 2012. - V. 20, No. 3. - P. 33113324.
© В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, Д. В. Кочкарев, М. В. Кузнецов,
С. Л. Шергин, Д. М. Никулин, 2014
