蓝光激发SbTe基半导体薄膜材料光学非线性效应诱导的亚波长光斑形成特性与纳米光刻应用的基础研究

本项目以蓝光激发SbTe基薄膜材料光学非线性效应诱导亚波长光斑形成来实现纳米光刻。设计"非线性饱和吸收薄膜/透明介电层/非线性反饱和吸收光刻薄膜"试样结构，采用聚焦高斯激光束入射到非线性饱和吸收薄膜上导致在光斑中心部分形成一个低于衍射极限的亚波长光斑。该亚波长光斑经过透明介电层后在近场距离内直接耦合到非线性反饱和吸收光刻薄膜材料上，从而形成一个比亚波长光斑更小的纳米尺度的能量吸收斑。当能量吸收斑的强度超过一定阈值后，非线性反饱和吸收光刻薄膜将会发生纳米尺度的结构转变，利用结构转变前后的物理化学特性差异得到纳米图形结构，实现可见光波段的激光直写纳米光刻。通过本项目的研究，有望探索利用可见光波段的激光光源和远场光学系统实现高速、低成本、大面积、易操作的任意纳米结构激光光刻新的物理思路和技术手段.

无掩模纳米光刻在微纳结构光学器件加工制造方面具有非常重要的应用前景，激光直写光刻由于加工灵活方便而受到青睐。然而，由于衍射极限制约，激光直写的分辨率很难达到纳米尺度。本工作利用薄膜材料的光学非线性吸收特性来突破光学衍射极限，采用可见光波段激光光刻系统实现纳米光刻，为高速、大面积和低成本纳米光刻提供一种新的物理思想和技术手段。取得主要成果如下：.1）研究了Sb、Sb2Te3、以及Sb70Te30等晶态薄膜在波长为405nm的激光作用下光学非线性饱和吸收特性，发现Sb晶态薄膜的β=-6.08×〖10〗^(-2) m/W, Sb70Te30晶态薄膜的β=-7.02×〖10〗^(-2) m/W, Sb2Te3晶态薄膜的β=-1.06×〖10〗^(-2) m/W，其物理机制可能是热致非线性。研究和测试了晶态InSb薄膜在波长为405nm的激光作用下光学非线性反饱和吸收特性，结果表明β=+7.41×〖10〗^(‒2) m/W，物理机制可能起源于载流子吸收，实验中没有发现AgInSbTe薄膜在405nm激光波长下的反饱和吸收特性。.2）本项目构建了近场光斑扫描装置和Pump-probe非线性小孔通道和超分辨光斑瞬态探测装置，对晶态Ge2Sb2Te5薄膜和Sb2Te3薄膜的饱和吸收效应形成的瞬态超分辨光斑以及晶态InSb薄膜的反饱和吸收形成的瞬态能量吸收斑进行了直接观察，以及相应的时间响应特性进行了测试分析。.3）利用SbTe基薄膜材料的非线性吸收诱导的光学超分辨效应以及通过调控热扩散通道，采用蓝光激光的聚焦激光刻写系统，实现了特征点尺寸为50–60 nm的无掩模激光直写光刻，该尺寸仅刻写光斑尺寸的约十二分之一。