ITMO
en/ en

ISSN: 1023-5086

en/

ISSN: 1023-5086

Научно-технический

Оптический журнал

Полнотекстовый перевод журнала на английский язык издаётся Optica Publishing Group под названием “Journal of Optical Technology“

Подача статьи Подать статью
Больше информации Назад

DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17

УДК: 551.501.816, 551.510.411

Объёмная термохимическая лазерная запись наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале Zr/SiO2

Куц Р.И., Корольков В.П., Микерин С.Л., Окотруб К.А., Белоусов Д.А., Малышев А.И., Саметов А.Р., Шиманский Р.В., Гаврилова Т.А.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Куц Р.И., Корольков В.П., Микерин С.Л., Окотруб К.А., Белоусов Д.А., Малышев А.И., Саметов А.Р., Шиманский Р.В., Гаврилова Т.А. Объёмная термохимическая лазерная запись наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале Zr/SiO2 // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 4. С. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17

Ссылка на англоязычную версию:

Kuts R.I., Korolkov V.P., Mikerin S.L., Okotrub K.A., Belousov D.A., Malyshev A.I., Sametov A.R., Shimansky R.V., Gavrilova T.A. Volumetric thermochemical laser writing of nanostructured reflective diffraction gratings on a dual-layer material Zr/SiO2 [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 4. P. 5–17. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-04-05-17

Аннотация:

Предмет исследования. Объёмная термохимическая лазерная запись наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале Zr/SiO2. Цель работы. Детально исследовать прямую лазерную запись на тонких плёнках циркония на кварцевых подложках для того, чтобы определить причину аномально высокого фазового сдвига света, отражённого от сформированной структуры, а также рассмотреть возможность создания на основе данного эффекта отражающих дифракционных структур с потенциалом применения в компонентной базе фотоники. Метод. Термохимическая запись сфокусированным лазерным пучком на плёнках циркония, нанесённых на кварцевые подложки, позволяет формировать оксидированные микрорисунки. Измерение глубины их рельефа на атомно­силовом микроскопе демонстрируют поверхностный рельеф, глубиной не более 10 нм, в то время как измерение на интерферометре белого света показывает рельеф, глубиной до сотен нанометров. Сканирующая электронная микроскопия и анализ спектров комбинационного рассеяния света позволяют получить информацию о внутренней структуре и химическом составе модифицированных областей. Основные результаты. Показано, что эффект лазерной записи наноструктурированных отражающих дифракционных решёток на двухслойном материале носит объёмный характер, так как толщина модифицированного слоя на 50–60% больше исходной толщины плёнки Zr. Продемонстрировано, что на поверхности и в глубине модифицированного слоя образуются сфазированные решётки с периодом, равным шагу сканирования лазерного пучка. Модифицированный слой, в зависимости от мощности записывающего пучка, состоит из композиции оксида и нитрида циркония в аморфной или кристаллической фазах, включающей оксид кремния в нижнем слое. Внутренняя решётка состоит из каналов в модифицированном слое, размер сечения которых составляет приблизительно 80 нм. Выдвинута гипотеза о морфологии и механизме формирования сфазированных нанорешёток. Практическая значимость. Предложено дополнить «сухую» одноэтапную технологию изготовления бинарных отражающих дифракционных структур на двухслойном материале Zr/SiO2 этапом реактивного ионного травления для подстройки эффективности элемента.

 

Благодарность: работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда (проект № 22­79­00049). В исследованиях использовано оборудование Центра коллективного пользования «Спектроскопия и оптика» Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук, Центра коллективного пользования «Высокие технологии и аналитика наносистем» Новосибирского государственного университета и отделения сканирующей электронной микроскопии Центра коллективного пользования «Наноструктуры» Института физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук.

Ключевые слова:

термохимическая лазерная запись, отражающие дифракционные решётки, плёнки циркония, реактивное ионное травление

Коды OCIS: 050.1950, 050.6624, 050.6875, 110.4235

Список источников:
  1. Veiko V.P., Poleshchuk A.G. Laser­induced local oxidation of thin metal films: physical fundamentals and applications // Fundamentals of Laser­Assisted Micro­and Nanotechnologies / Eds V.P. Veiko, V.I. Konov. Cham: Springer, 2014. P. 149–171.
  2. Ruffino F., Grimaldi M.G. Nanostructuration of thin metal films by pulsed laser irradiations: a review // Nanomaterials. 2019. V. 9. № 8. P. 1133. https://doi.org/10.3390/nano9081133
  3. Bialuschewski D. Laser­assisted modification of metals and metal oxide semiconductors as photoactive materials. München: Dr. Hut Verlag, 2020. 127 p.
  4. Коронкевич В.П., Полещук А.Г., Чурин Е.Г., Юрлов Ю.И. Лазерная термохимическая технология синтеза дифракционных оптических элементов на пленках хрома // Квантовая электроника. 1985. Т. 12. № 4. С. 755–761.
  5. Poleshchuk A.G., Nasyrov R.K., Asfour J.M. Combined computer­generated hologram for testing steep aspheric surfaces // Optics Express. 2009. V. 17. № 7. P. 5420–5425. https://doi.org/10.1364/OE.17.005420
  6. Sun K.W., Huang S.C., Kechiantz A., Lee C.P. Subwavelength gratings fabricated on semiconductor substrates via E­beam lithography and lift­off method // Optical and Quantum Electronics. 2005. V. 37. № 4. P. 425–432. https://doi.org/10.1007/s11082­005­2027­1
  7. Pramitha V., Gayathri M.S., Bhattacharya S. Electron beam written subwavelength gratings for polarization separation in the infrared // Proceedings of SPIE. 2015. V. 9374. P. 187–193. https://doi.org/10.1117/12.2078607
  8. Вейко В. П., Корольков В.П., Полещук А.Г., Синев Д.А., Шахно Е.А. Лазерные технологии в микрооптике. Ч. 1. Изготовление дифракционных оптических элементов и фотошаблонов с амплитудным пропусканием // Автометрия. 2017. Т. 53. № 5. С. 66–77. https://doi.org/10.15372/AUT20170507
  9. Solanki P.R., Kaushik A., Agrawal V.V., Malhotra B.D. Nanostructured metal oxide­based biosensors // NPG Asia Materials. 2011. V. 3. № 1. P. 17–24. https://doi.org/10.1038/asiamat.2010.137
  10. Chauhan I., Aggrawal S., Mohanty P. Metal oxide nanostructures incorporated/immobilized paper matrices and their applications: a review // RSC advances. 2015. V. 5. № 101. P. 83036–83055. https://doi.org/10.1039/C5RA13601F
  11. Шахно Е.А., Куанг Зунг Нгуен, Синёв Д.А., Вейко В.П. Уменьшение размера минимального элемента при лазерной термохимической записи за счёт эффекта близости // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 6. С. 3–14. https://doi.org/10.17586/1023­5086­2022­89­06­03­14
  12. Полетаев С.Д., Волотовский С.Г. Анализ погрешностей лазерной записи оптических микроструктур на плёнках молибдена // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 3. С. 422–426. https://doi.org/10.18287/2412­6179­2016­40­3­422­426
  13. Guo C.F., Zhang Z., Cao S., Liu Q. Laser direct writing of nanoreliefs in Sn nanofilms // Optics Letters. 2009. V. 34. № 18. P. 2820–2822. https://doi.org/10.1364/OL.34.002820
  14. Шахно Е.А., Синев Д.А., Кулажкин А.М. Особенности лазерного окисления тонких пленок титана // Оптический журнал. 2014. Т. 81. № 5. С. 93–98.
  15. Xia F., Jiao L., Wu D., Li S., Zhang K., Kong W., Yun M., Liu Q., Zhang X. Mechanism of pulsed­laser­induced oxidation of titanium films // Optical Materials Express. 2019. V. 9. № 10. P. 4097–4103. https://doi.org/10.1364/OME.9.004097
  16. Korolkov V.P., Kuts R.I., Malyshev A.I., Matochkin A.E., Shimansky R.V. Dry method for the formation of reflective phase DOEs using direct laser writing on thin Zr films // Proceedings of SPIE. 2020. V. 11551. P. 211–217. https://doi.org/10.1117/12.2574196
  17. Poleshchuk A.G., Korolkov V.P. Laser writing systems and technologies for fabrication of binary and continuous relief diffractive optical elements // Proceedings of SPIE. 2007. V. 6732. P. 130–139. https://doi.org/10.1117/12.751930
  18. Okotrub K.A., Surovtsev N.V. Redox state of cytochromes in frozen yeast cells probed by resonance Raman spectroscopy // Biophysical Journal. 2015. V. 109. № 11. P. 2227–2234. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2015.10.033
  19. Ciszak C., Mermoux M., Gutierrez G., Leprêtre F., Duriez C., Popa I., Fayette L., Chevalier S. Raman spectra analysis of ZrO2 thermally grown on Zircaloy substrates irradiated with heavy ion: Effects of oxygen isotopic substitution // Journal of Raman Spectroscopy. 2019. V. 50. № 3. P. 425–435. https://doi.org/10.1002/jrs.5513
  20. Balerio R., Kim H., Morell­Pacheco A., Hawkins L., Shiau C.­H., Shao L. ZrN phase formation, hardening and Nitrogen diffusion kinetics in plasma Nitrided Zircaloy­4 // Materials. 2021. V. 14. № 13. P. 3572. https://doi.org/10.3390/ma14133572
  21. Veszelei M., Andersson K.E., Roos A., Ribbing C.­G. Optical constants of sputtered ZrN films for heat mirror applications // Proceedings of SPIE. 1993. V. 2017. P. 25–34. https://doi.org/10.1117/12.161968
  22. Pretorius R., Harris J.M., Nicolet M­A. Reaction of thin metal films with SiO2 substrates // Solid­State Electronics. 1978. V. 21. № 4. P. 667–675. https://doi.org/10.1016/0038­1101(78)90335­0
  23. Wang S.Q., Mayer J.W. Reactions of Zr thin films with SiO2 substrates // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. P. 4711. https://doi.org/10.1063/1.341208