CHƯƠNG I : CƠ SỞ Lí THUYẾT
1.2. Giới thiệu cụng nghệ khắc laser trực tiếp
1.2.2. Vật liệu cảm quang truyền thống (polymer) cho cụng nghệ khắc laser trực tiếp
chuyển PZT (gốm ỏp điện). Phương phỏp này rất lý tưởng để chế tạo cỏc cấu trỳc tựy ý cú kớch cỡ vài trăm nano.
Sơ đồ nguyờn lý hoạt động kỹ thuật khắc laser trực tiếp được mụ tả trờn Hỡnh 1.11. Hệ cú bốn phần chớnh đú là nguồn sỏng, hệ thống dẫn quang học, hệ thống dịch chuyển ghộp nối mẫu/ đế và hệ thống đầu đo. Chựm laser (cú thể là bước súng 355 nm hoặc 532 nm) được ghộp nối trực tiếp tới bộ phận dẫn quang thụng qua thấu kớnh hội tụ L1. Ánh sỏng đi qua hệ thống dẫn, chựm tia laser được mở rộng và chuẩn trực bằng cỏc thấu kớnh khỏc nhau. Cụng suất laser được giỏm sỏt bằng cỏch sử dụng sự kết hợp của một tấm /2 và một bộ phõn cực. Một tấm /4 được đặt ở phớa trước vật kớnh (OL) cú thể quay để điều chỉnh sự phõn cực sao cho thu được chựm tia mong muốn (hỡnh trũn, elip hoặc tuyến tớnh). Chựm sỏng phõn cực "sạch" với cụng suất được xỏc định, được hội tụ vào photoresist bởi vật kớch cú khẩu độ số (NA) OL cao. Việc thực hiện DLW đạt được bằng cỏch quột mẫu với vựng hội tụ của chựm laser. Việc dịch chuyển này được thực hiện bởi gốm ỏp điện 3D (PZT). Phỏt xạ huỳnh quang được hội tụ bởi vật kớnh OL tương tự và được gửi đến hệ thống đầu thu. Thu thập và phõn tớch dữ liệu được thực hiện bởi một bộ mỏy bờn ngoài tớch hợp với mỏy tớnh.
1.2.2. Vật liệu cảm quang truyền thống (polymer) cho cụng nghệ khắc laser trựctiếp. tiếp.
Vật liệu dựng cho phương phỏp DLW là vật liệu polyme nhạy với ỏnh sỏng, được gọi là chất cảm quang và được chia thành hai loại: cảm quang õm và cảm quang dương [2, 26, 27]. Tựy thuộc vào loại cảm quang và cỏc cơ chế chế tạo và thụng số thực nghiệm, cỏc cấu trỳc khỏc nhau cú thể được chế tạo. Đối với cảm quang õm, khi được chiếu với ỏnh sỏng, sẽ gõy ra phản ứng trựng hợp, làm cho chất cảm quang trở nờn vững chắc và tồn tại lại trờn đế thuỷ tinh sau khi rửa, cũn cỏc vựng khụng được chiếu ỏnh sỏng sẽ bị rửa trụi. Đõy là loại cảm quang thường được sử dụng để chế tạo cỏc cấu trỳc quang tử, đặc biệt là cấu trỳc 3D, vỡ độ cứng và độ trong suốt của vật liệu này trong vựng ỏnh sỏng nhỡn thấy và vựng hồng ngoại. Ngược lại, cảm quang dương sẽ cú phản ứng ngược lại khi nú hấp thụ ỏnh sỏng. Kết quả là vựng vật liệu nào bị chiếu ỏnh sỏng sẽ bị rửa trụi trong quỏ trỡnh rửa mẫu, cũn vựng khụng chiếu ỏnh sỏng vẫn tồn tại trờn đế thuỷ tinh. Cỏc chất cảm quang dương thường được sử dụng để tạo ra cấu trỳc 1D và 2D, như để tại khuụn mẫu chế tạo cấu trỳc trong cỏc vật liệu khỏc, vớ dụ cấu trỳc plasmonic khi chuyển sang vật liệu kim loại bằng phương phỏp “loại bỏ”
(lift-off). Do vật liệu này mềm và dễ bị ăn mũn trong quỏ trỡnh rửa, cấu trỳc 3D gần như chưa bao giờ cú thể được thực hiện bằng vật liệu cảm quang dương.
Việc chế tạo cỏc cấu trỳc 1D, 2D, hay 3D phụ thuộc cơ bản vào cơ chế tương tỏc giữa chựm ỏnh sỏng kớch thớch và vật liệu polyme sử dụng. Hai cỏch kớch thớch đó được ỏp dụng để chế tạo cỏc cấu trỳc, cụ thể là phương phỏp hấp thụ một photon (One-Photon Absorption, OPA) và phương phỏp hấp thụ hai photon (Two-Photon Absorption, TPA). Phương phỏp kớch thớch OPA rất đơn giản để chế tạo cỏc cấu trỳc mỏng một chiều và hai chiều (1D và 2D), bằng việc sử dụng một chựm laser đơn giản, thụng thường là chựm laser liờn tục, giỏ thành thấp, cú bước súng nằm trong dải hấp thụ của vật liệu cảm quang. Tuy nhiờn, do bị hấp thụ mạnh bởi vật liệu, cường độ của chựm ỏnh sỏng bị giảm nhanh trong quỏ trỡnh đi sõu vào vật liệu, dẫn đến khụng thể chế tạo được cấu trỳc dày, hay cấu trỳc 3D [28]. Cấu trỳc chế tạo được cũng khụng đều theo bề dày của vật liệu, vỡ vậy phương phỏp khắc quang bằng laser sử dụng hiệu ứng OPA thường dựng để chế tạo cỏc cấu trỳc 1D và 2D cú độ dày khiờm tốn khoảng 1 àm.
1.2.3. Phương phỏp chế tạo cấu trỳc bằng khắc laser hấp thụ đa photon.
Để chế tạo cỏc cấu trỳc 1D, 2D dày, và đặc biệt là cấu trỳc 3D, ngày nay người ta phải sử dụng phương phỏp TPA hay hấp thụ đa photon (Multiple-Photon Absorption, MPA). Hấp thụ 2 hay nhiều photon là một hiệu ứng quang phi tuyến, được đề xuất từ những năm 1990 [29, 30], để thu được ảnh 3D của cỏc vật liệu và cấu trỳc vật liệu, với độ phõn giải cao. Đõy là phương phỏp phức tạp và giỏ thành đắt. Thực tế, để cú thể tạo được hiệu ứng TPA, cần phải cú một chựm ỏnh sỏng laser cú mật độ cụng suất lớn cỡ hàng triệu lần so với cường độ của chựm ỏnh sỏng sử dụng trong phương phỏp OPA. Để thực hiện điều đú, thụng thường ta phải dựng một nguồn sỏng laser xung siờu ngắn (femto giõy), khỏ tốn kộm và phức tạp. Chựm ỏnh sỏng này cũng cần phải được hội tụ tốt để tăng cường độ bằng việc sử dụng một vật kớnh cú khẩu độ lớn, thường là vật kớnh được nhỳng trong dầu. Bước súng của laser xung (thường là laser Ti-Sapphire) nằm ở vựng 800 nm, ngoài vựng hấp thụ tuyến tớnh của phần lớn cỏc vật liệu cảm quang. Sự kết hợp giữa laser xung và hệ quang học hội tụ mạnh làm tăng cường độ ỏnh sỏng kớch thớch, do đú cho phộp tạo ra phản ứng quang phi tuyến bậc 3, ở đú vật liệu sẽ hấp thụ cựng lỳc 2 photon, mà năng lượng tổng sẽ tương đương với năng lượng của một photon nằm ở vựng hấp thụ. Việc này cho phộp vật liệu cảm quang dịch chuyển mức năng lượng và xảy ra hiệu ứng hoỏ học, vớ dụ trường hợp đối với vật liệu cảm quang õm. Tất nhiờn chỉ ở vựng hội tụ mới xảy ra, và tạo được cấu trỳc tương ứng với vựng hội tụ (focusing spot), cú kớch thước < 1àm3. Bằng cỏch quột vựng hội tụ này
trong khụng gian 3D, ta cú thể chế tạo được cấu trỳc như mong muốn [21-25]. Phương phỏp DLW sử dụng hiệu ứng TPA đó được đề xuất từ những năm 2000 [21,22], bởi những phũng thớ nghiệm mạnh. Ngày nay, phương phỏp này đó được thương mại hoỏ bởi nhiều cụng ty, trong đú đỏng kể là cụng ty Kloộ [31] của Phỏp, và cụng ty Nanoscribe [32] của Đức. Tuy nhiờn, việc sử dụng nguồn laser xung femto giõy, cộng với hệ quang học phức tạp để bảo đảm xung femto giõy khụng bị dón (do hiện tượng tỏn sắc), làm cho giỏ thành của một hệ DLW sử dụng hiệu ứng TPA khỏ đắt, khoảng 400 nghỡn euros. Một xu hướng hiện nay là thay thế laser Ti-Sapphire cồng kềnh bằng laser femto giõy làm bằng vật liệu Erbium-Ytterbium trong sợi quang học. Tuy vậy, bước súng của laser này nằm ở vựng hồng ngoại nờn cần phải cú cụng suất khỏ cao để tạo hiệu ứng hấp thụ nhiều photon (MPA), và việc sử dụng mới dừng ở mức độ thớ nghiệm.
Trong phương phỏp chế tạo này, ta cũng biết là cấu trỳc chế tạo được khụng thể nhỏ hơn kớch thước của chựm ỏnh sỏng hội tụ, và kớch thước này thỡ bị hạn chế bởi rào cản nhiễu xạ ỏnh sỏng. Tức là chựm ỏnh sỏng hội tụ cú kớch thước tối thiểu bị hạn chế bởi bước súng ỏnh sỏng, λ, và khẩu độ của vật kớnh sử dụng, NA (giới hạn nhiễu xạ ≥ 0.61) [33]. Tuy vậy, thực tế cho thấy là kớch thước của cấu trỳc chế tạo được cũn phụ thuộc vào cả vật liệu sử dụng, ngưỡng hấp thụ 2 photon, sự co gión vật liệu … Vỡ vậy, nếu điều khiển cụng suất của laser chiếu hoặc thời gian chiếu, ta cú thể tối ưu được kớch thước thực tế của cấu trỳc chế tạo tới khoảng 100 nm3 [34]. Gần đõy, một vài nhúm làm về siờu phõn giải quang học đó ứng dụng hiệu ứng hiệu ứng STED (STimulated-Emission Depletion) vào phương phỏp DLW để cú thể tạo ra cỏc cấu trỳc cú kớch thước nhỏ hơn 100 nm [35-38]. Sự kết hợp này đũi hỏi phải thờm một laser thứ hai vào hệ DLW để tạo phỏt xạ kớch thớch (STED), cũng như phải cải thiện tớnh chất của vật liệu cảm quang để hiệu ứng STED cú hiệu quả. Vỡ vậy, mặc dự là ý tưởng hay, nhưng những nghiờn cứu cho thấy phương phỏp STED-DLW cũn cú rất nhiều hạn chế, khỏ phức tạp và đắt tiền [35-38].