Аннотация:Микросферная литография с использованием маски из коллоидных частиц предлагает недорогой метод для создания наноструктур. Применяется в различных областях физики, химии и биологии. Одним из применений может быть создание дифракционных структур для видимого и ультрафиолетового (УФ) диапазонов спектра. Дифракция света на упорядоченных структурах из коллоидных частиц хорошо известна. Однако наблюдение аналогичной дифракции в области длин волн, превышающих диаметр коллоидных частиц (инфракрасный (ИК) диапазон), невозможно. Применение микросферной литографии для этой цели требует принципиально иных подходов.
Недавно (в 2015г) в научном сообществе было высказана идея о создание дифракционных структур с двумя иерархическими уровнями упорядочения с помощью варьирование толщины коллоидных пленок в масштабе порядка длины волны света. Мелкомасштабный (порядка сотен нанометров) период таких структур связан с упорядочением осажденных частиц, а крупномасштабный (порядка нескольких сотен микрон) – с колебаниями толщины пленки. Вместе с тем, двухуровневые структуры с хорошей периодичностью и данные о дифракции света на таких структурах представлены не были. В связи с этим мы предлагаем свой подход, который позволяет получать двухуровневые дифракционные структуры, способные давать дифракцию одновременно в ИК, видимой и УФ областях спектра световых волн.
Предложенный нами метод основан на прерывистом движении мениска в процессе испарения коллоидного раствора. Несмотря на то, что данный эффект давно известен, о существовании режима осаждения, в котором скачки мениска периодически повторялись бы в течение длительного времени, до сих пор ничего не сообщалось. Отсутствие таких наблюдений, вероятно, связано с тем, что на движение мениска влияет огромное множество факторов: состав и концентрация коллоидного раствора, температура, скорость осаждения, размер частиц, геометрия сосуда, уровень жидкости в нем и т.д. Реализация периодического скачкообразного движения мениска позволила нам в итоге расширить пределы микросферной литографии в область периодов порядка сотен микрон.
В представленной работе описаны методы синтеза узкодисперсных коллоидных частиц; найдены условия осаждения, позволяющие получать двухуровневые дифракционные структуры, состоящие из периодически повторяющихся полос осажденных частиц; продемонстрирована лазерная дифракция на полученных структурах; предложены литографические подходы, связанные с осаждением или имплантацией металлов через микросферную маску, позволяющие повысить оптический контраст и механическую прочность изготавливаемых дифракционных структур.
В итоге были получены периодические двухуровневые структуры (дифракционные решетки) с крупномасштабным периодом порядка 100-300 мкм, состоящие из повторяющихся полос осажденных микрочастиц. Было установлено, что период структур растет с ростом скорости осаждения, а также обнаружено наличие критической скорости осаждения ниже которой периодические структуры не формируются. Было выявлено, что при большом содержании воды (больше 40 об. %) в бинарной смеси вода-этанол периодичность структур нарушается. Изготовленные структуры обладали ярко выраженной дифракцией лазерного луча.