Лазерные микро- и нанотехнологии для различных направлений: механики, электроники, фотоники (оптики), флюидики, газоаналитики, фармацевтики, медицины и биологии

Активное развитие микросистемной техники, а также ее внедрение в различных областях науки становится причиной совершенствования технологий изготовления подобных устройств. Основным требованием к подобным системам является возможность непосредственного наблюдения за различными физико-химическими и биологическими процессами в сверхмалых объемах и с достаточным временным разрешением.  Более того, к таким микросистемам должен быть обеспечен легкий доступ регистрирующего и измерительного оборудования, в первую очередь, оптического. Наиболее удачным материалом, удовлетворяющим этим требованиям, является силикатное стекло, оптически прозрачное и обладающее высокой химической, термической, оптической, электрической и биологической стойкостью. В качестве обрабатываемого материала все чаще используются специализированные стекла, а именно, фотоструктурируемое, пористое, кварцевое стекло и стекла других составов на основе SiO2. Однако, благодаря своим свойствам прецизионная микрообработка стекла до сих пор остается весьма сложной задачей, реализация которой требует множества различных операций и значительного времени для изготовления готовой продукции.

 

Элементы микроустройств представляют собой полости и модифицированные структуры микро- и наноразмерного масштаба, расположенные на поверхности и в объеме стекла. В качестве инструмента для создания подобных элементов чаще всего применяется лазерное излучение. При этом ключевая роль отводится изучению механизмов изменения структуры подобных материалов в поле лазерного излучения. Именно от этих изменений впоследствии и будет зависеть принцип работы конкретного элемента в микросистеме и всего устройства в целом. Изучая механизмы модификации структуры стекла возможно, с одной стороны, предсказать конечный результат лазерной обработки материала с известными свойствами, а с другой – разработать новый материал под конкретные задачи с использованием существующих источников лазерного излучения. В обоих случаях конечным результатом такой обработки становится получение микро- и наноразмерных структур с новыми свойствами, отличными от свойств исходного материала.

 

В рамках научно-исследовательской работы, проводимой в лаборатории, осуществляются:

1. Лазерно-индуцированные фазовые превращения в объеме фотоструктурируемого стекла. Одним из распространенных материалов для изготовления различных микроустройств является литий-алюмосиликатное стекло с содержанием атомов Ag и Ce, например, стекло марки Foturan. Наличие фоточувствительных компонент в составе стекла позволяет модифицировать его структуру лазерным излучением, с помощью которого осуществляется запись «скрытого» изображения (latent image) на поверхности (УФ излучение с λ < 355 нм) и в объеме (фемтосекундными лазерными импульсами с λ = 800 нм). Проявление изображение путем кристаллизации зон облучения происходит при длительной тепловой обработке в печи в течении 6-8 часов.

Коллективом лаборатории впервые предложено использовать вместо теплового отжига в печи фототермическое воздействие излучения СО2-лазера. Для локализации зон кристаллизации, а также осуществления фазовых превращений в объеме стекла была использована предварительную запись областей модификации пико- и фемтосекундными лазерными импульсами. Комбинированное воздействие пико- или фемтосекундных лазерных импульсов и СО2-лазерного излучения позволило значительно сократить (до 15-45 мин и менее) длительность фазовых превращений. В результате применения фототермической обработки появилась возможность не только локальной кристаллизации в объеме стекла, но и вторичной аморфизации кристаллизованных зон. Благодаря лазерной обработки становится возможной оперативная корректировка структурной модификации стекла и управление фазовым составом зон кристаллизации.

Относительная оптическая плотность (ΔD) областей модификации (слева), а также фотографии этих областей до и после фототермической обработки излучением СО2 лазера, либо тепловой обработки в печи. На графике указаны размеры поперечного сечения областей

 

Схематическое изображение лазерной обработки; микрофотографии областей модификации, их кристаллизация и вторичная аморфизация при фототермической обработке; термограмма при кристаллизации в объеме ФС

 

2. Лазерная модификация структуры пористого силикатного стекла. Состав пористого стекла соответствует плавленому кварцу в отличие от свойств, которые обладают отличительными особенностями. В частности, к ним относится высокая адсорбция различных веществ за счет наноразмерных (от 2 до 200 нм) пор и каналов с разветвленной структурой. Такой материал относительно проще поддается лазерной обработке, чем монолитный плавленый кварц, обладает меньшей плотностью, но при этом сохраняет высокое пропусканием в видимом диапазоне длин волн.

Сотрудниками лаборатории предложены различные способы локальной модификации пористых стекол путем лазерного уплотнения их структуры. Термоуплотнение пористого стекла может быть осуществлено излучением СО2 лазера, которое интенсивно поглощается материалом. Уплотнение структуры в объеме стекла осуществляется пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, а также наносекундными лазерными импульсами в объеме пористых стекол, пропитанных различными веществами. С помощью локального уплотнения структуры пористого стекла возможно управление его адсорбционными свойствами. В результате была показана возможность изготовления волноводных структур в объеме стекла, а также плазмонных микроструктур в объеме фотохромных пористых стекол.

 

Оптические изображения областей модификации структуры в объеме пористого стекла, пропитанного водой (а), родамином 6G (b) и родамином B (c) до (слева) и после (справа) после тепловой обработки (600 °С, 1 час)

 

С применением лазерной обработки фотоструктурируемого и кварцевого стекла изготавливают микроаналитические системы, системы микро- и оптофлюидики, биочипы и лаборатории на чипе, а также различные функциональные элементы фотоники. Лазерная запись микро- и наноструктур в композиционных материалах на основе стекла с содержанием наночастиц и атомов металлов используется для создания функциональных устройств фотоники и плазмоники. Применение подобных микроустройств становятся эффективным решением научно-исследовательских проблем в микробиологии и вирусологии, медицине и фармакологии, аналитической химии и т.д. Основными преимуществами использования микроустройств, изготовленных на стекле, являются

- спектральные методы анализа, обеспечивающие высокую точность измерений;

- изоляция исследуемых объектов от внешних воздействий;

- контролируемое дозирование исследуемого материала, катализатора;

- возможность изучения веществ, находящихся в сверхмалых объемах.

 

М.М. Сергеев, Р.А. Заколдаев, Ю.А. Полтаев, Г.К. Костюк, Е.Б. Яковлев, В.П. Вейко

Информация © 2015-2017 Университет ИТМО
Разработка © 2015 Департамент информационных технологий