Исследовательская группа под руководством Сюэсун Мэй и Цзяньлэй Цуй из Сианьского университета Цзяотун совершила прорыв в нанотехнологиях. Ученые нашли способ создавать наноструктуры на тонкой золотой пленке. Они просто «рисуют» их лучом лазера при помощи особой иглы — зонда микроскопа.

Долгое время главной проблемой в создании нанообъектов был так называемый дифракционный предел. Световой луч нельзя сфокусировать в точку меньше определенного размера, и это ограничивает возможности обычной оптической литографии. Другие методы, например, с использованием электронного луча, для металлических пленок не всегда подходят. Технологии на основе сканирующих зондов, хотя и точны, часто требуют сложных условий.

В этом эксперименте ученые собрали установку из трех ключевых элементов: наносекундного лазера, системы оптики и атомно-силового микроскопа (АСМ). Секрет в том, куда направляется луч. Его фокусируют не на саму поверхность, а на крошечное отверстие на кончике иглы зонда ближнепольного микроскопа (SNOM). Эта игла «парит» над золотой пленкой. Когда она движется, а лазер включен, под ее кончиком возникает невероятно маленькая и горячая точка, которая и плавит золото, оставляя на нем четкий след.

Так исследователям удалось нарисовать линии рекордно малой ширины:

• Самая тонкая линия: 83,6 нанометра.
• Стабильно повторяемая ширина: около 167,8 нанометров, с отклонением всего в ±6,6 нм.

Ученые выяснили, что на ширину «рисунка» влияют два основных фактора: энергия лазерного импульса и поляризация луча. Теория показала, что область нагрева под кончиком зонда имеет форму эллипса. Из-за этого, когда игла движется в разных направлениях, ширина линии меняется. Анализ состава материала доказал: механизм именно плавление золота, а не окисление. Все дело в возбужденных плазмонах — особых колебаниях электронов на поверхности металла. Они создают локальный „наноразмерный костер“, который и служит инструментом для обработки.

Этот метод открывает новые горизонты. Он не требует вакуума, масок или дорогих реактивов. В перспективе так можно будет создавать наноустройства на разных материалах и даже проводить «нанопайку» — соединять микроскопические детали.

Реальная польза этой работы в том, что она предлагает инструмент для быстрого прототипирования наноустройств «на столе». Представьте исследователя, которому нужно срочно проверить гипотезу о поведении света в новой метаповерхности или создать тестовый сенсор на чипе. Традиционные методы требуют дней или недель работы в чистых комнатах. Здесь же, в обычных условиях, можно за час „нарисовать“ нужную схему на металле и сразу ее изучить. Это может резко ускорить цикл исследований и разработок в фотонике, сенсорике и создании плазмонных чипов для сверхбыстрой передачи данных.

Основной вопрос к технологии — ее масштабируемость и скорость для массового производства. Метод точечный, последовательный: зонд рисует одну линию за другой. Для создания сложной наноструктуры в миллиметр размером это может занять неприемлемо много времени. Пока это скорее высокоточный карандаш для набросков, а не печатный станок. Ключевым развитием станет переход к параллельной работе множества зондов или значительное увеличение скорости сканирования без потери разрешения.

Ранее ученые разработали новый метод изучения лазерной обработки материалов.