基于硫系合金薄膜的激光直写超分辨纳米图形与信息存储

依据于大规模集成电路的随机存储器和半导体存储器及常用的光存储器件其存储密度实际上取决于现在的激光刻蚀技术，激光刻蚀过程本质上是激光光刻形成图形。为了实现更高密度信息存储，要求信息存储器件中图形的分辨率（即最小信息位或线宽）达到纳米量级。本项目从电磁波传播的麦克斯韦方程着手从理论上来求解高斯光束在非线性薄膜结构中的传播特性及透射率、反射率和吸收率的空间分布特性，得出一套较完整的理论计算公式和体系，利用该理论计体系和硫系合金薄膜强的光学非线性及较低的晶态熔化态转变温度特性、设计基于硫系合金薄膜的非线性膜层结构。利用该结构在高斯激光作用下自聚焦和内部多光束干涉获得超分辨纳米能量吸收斑来实现纳米图形的激光直写，最小图形尺寸达到60-80nm（光斑尺寸的1/5-1/10左右），将该图形制备成光存储器件的母盘，使其初步应用于纳米信息存储。从而为今后纳米信息存储器件的设计和制备提供一种新的思路和手段。

通过本项目的实施，我们搭建了双波长激光（405nm和658nm波长激光）三模式探测（透射开孔模式、透射闭孔模式、反射开孔模式）的非线性光学性能测试装置，同时在该装置中增加了CCD实时成像监控单元用以判断分析非线性测试中材料的破坏情况。设计和研究了Sb2Te3等薄膜材料的光学非线性，实验发现在405nm激光波长激发下表现为非线性饱和吸收，吸收系数达到-10^-2~-10^-3m/W数量级，我们提出了热致共振键弱化机制对其进行了第一性原理计算分析，理论结果与实验测试结果基本一致。. 构建了SNOM光斑扫描装置，通过该装置扫描观察了非线性薄膜性能的超分辨光斑，并进行了理论计算和模拟分析，测试发现Sb2Te3薄膜和Ag掺杂的Si薄膜能较为明显地减小光斑，最好的效果为减小光斑到原来的68%左右。搭建了蓝紫光激光直写装置，该装置的激光波长为405nm, 聚焦透镜的数值孔径为0.90，理论极限光斑尺寸在550nm左右。在该装置上首先进行单层薄膜的图形结构刻写，得到了线形阵列图形结构、点阵图形结构的快速刻写。设计了非线性多层薄膜结构，利用非线性饱和吸收特性来实现超分辨光斑，通过该超分辨光斑进行光刻和光信息存储，实现了80nm的点阵图形激光刻写和最小为60nm的信息位的记录和动态读出。这些结果表明非线性多层薄膜结构方案在纳米光刻和纳米信息存储具有好的应用前景。. 在项目执行期间在Appl. Phys. Lett.（3篇）, Opt. Lett.（1篇） Nanoscale（2篇）和J. Appl. Phys. 等发表或接受发表SCI国际学术论文16篇。邀请撰写出版科技图书章节3章，其中英文2章，中文1章。申请国家发明专利6项，已经授权5项。邀请参加国际国内学术会议6人次，做大会或分会邀请报告5次。培养研究生8名，已经毕业获得学位4名（博士2名，硕士2名）。在项目执行期间获得了2010年度上海科技启明星跟踪计划。. 通过该项目的实施，我们对硫系Te基薄膜的光学非线性以及导致的超分辨光学现象有了较为深入的认识，为纳米光刻与信息存储的应用奠定了很好的基础。同时提出了强束缚高斯聚焦激光诱导非线性薄膜形成纳米聚焦光斑，并初步得到了理论验证，目前正在着手构建实验装置进行实验研究，并探索应用于纳米光学成像。