Редактирано от Джак Халперн, Чикагски университет, Чикаго, Илинойс, и одобрено на 7 февруари 2002 г. (получено за преглед на 5 октомври 2001 г.)

атомни

Резюме

Лазерното фокусиране на атомите Fe предлага възможност за създаване на отделни магнитни структури в скала от 10 nm с точна периодичност. Това може да стане чрез използване на параболичните минимуми на потенциала, генериран от стояща светлинна вълна като фокусиращи лещи. За да постигнем желаната разделителна способност от 10 nm, трябва да потиснем хроматичните и сферични аберации, както и да предотвратим разширяването на структурата, причинено от разминаването на входящия лъч. Хроматичните аберации се потискат от развитието на свръхзвуков източник на Fe лъч със съотношение на скоростта S = 11 ± 1. Този лъч има интензивност 3 × 10 15 атома sr −1 s -1. Сферичните аберации на стоящата светлинна вълна ще бъдат потиснати чрез отвор с лъчеви маски, съдържащи 100 nm процепи на интервали от 744 nm. Дивергенцията на лъча може да бъде намалена чрез прилагане на лазерно охлаждане за намаляване на напречната скорост. Изградихме лазерна система, способна да достави над 500 mW лазерна светлина при 372 nm, дължината на вълната на атомния преход 5 D4 → 5 F5 от 56 Fe, която възнамеряваме да използваме за лазерно охлаждане. Прилагането на поляризационна спектроскопия към празен катоден разряд води до заключваща система, която поддържа лазера непрекъснато в рамките на 2 MHz от желаната честота.

Лазерното фокусиране на атомите се изучава с нарастващ интерес, тъй като доказва жизнеспособна техника за получаване на периодични наноструктури, особено защото периодът на структурите е известен с голяма точност. Двата основни литографски процеса са офорт и отлагане. Офорт с използване на метастабилни редки газове, като He * (1, 2), Ne * (3) и Ar * (4), както и с алкални атоми като Na (5) и Cs (6) в комбинация със самосглобяващ се монослой (SAM) съпротивления е създал редици от линии и точки. Отлагането на подобни структури е постигнато с метални атоми като Cr (1, 7, 8) и Al (9) и се планира за други метали от група III (10). Настоящата работа има за цел да отложи магнитни наноструктури, направени от атоми Fe. Този метод би могъл да осигури завладяващ нов експериментален подход в областта на едно- и нулемерния магнетизъм (11). За да работи тази схема, ще трябва да депозираме отделни, изолирани структури на Fe.

Принцип на атомна литография на Fe. Атомите Fe излизат от източник на свръхзвуков лъч. След това те се колимират чрез техники за лазерно охлаждане. След блокиране на неподходящите атоми от лъчева маска, те ще бъдат фокусирани в периодичен потенциал, генериран от стояща вълна. Възнамеряваме да използваме тази схема за създаване на едно- или нулемерни феромагнитни наноструктури.

Свойствата на атомния лъч могат да бъдат манипулирани чрез лазерно охлаждане (12). При лазерно охлаждане атом абсорбира фотоните и ги излъчва обратно в произволна посока. Ако фотоните са част от лазерен лъч, всички те имат еднакъв импулс и по този начин ще прехвърлят нетен импулс към атома. Ако лазерната честота е малко под тази на прехода, атомите, движещи се по посока на лазера, ще абсорбират по-малко фотони, отколкото атомите, движещи се в обратната посока поради отслабването, предизвикано от ефекта на Доплер. По този начин два противоположни лазерни лъча имат нетния ефект на напречно охлаждане на атомен лъч. Лазерното охлаждане обикновено изисква затворен преход на две нива. Атомът Fe няма затворен двустепенен преход за лазерно охлаждане. Опитваме се с лазерно охлаждане чрез прехода 5 D4 → 5 F5 при дължина на вълната 372 nm. Общото „изтичане“ при този преход е 1/243, т.е. когато атомът се възбуди, има шанс 1 на 243, че той няма да се разпадне обратно в основното състояние от мястото, от което е дошъл. Ако това се случи, не можем да приложим допълнително лазерно охлаждане или фокусиране към атома.

Първо, хроматичната аберация се намалява чрез намаляване на разпределението на аксиалната скорост. В този случай не може да се приложи забавяне на Zeeman (6), тъй като тази техника изисква много голям брой абсорбции. Следователно атомите трябва да напуснат източника с много тясно разпределение на скоростта. Свръхзвуковите източници имат такова характерно тясно разпределение на скоростта (13).

Второто препятствие е разминаването на лъча. Ние възнамеряваме да намалим напречното разпространение на скоростта чрез напречно лазерно охлаждане (14), както е показано схематично на фиг. 1. Нашите симулации показват, че по този начин може да се постигне разминаване на лъча от 0,2 mrad, докато атомите претърпяват по-малко от 100 абсорбции.

Трето, трябва да потиснем сферичните отклонения, произтичащи от това, че потенциалът не е параболичен на повечето места. Ние възнамеряваме да постигнем това чрез използването на отделно произведени маски на лъча, които блокират лъча на места, освен когато потенциалът е хармоничен в добро приближение. Това приближение е показано на фиг. 1.

Тази статия има за цел да даде експериментален преглед на постигнатия до момента напредък. Ще започнем, като опишем дизайна на нашия експеримент в Методи. Това описание ще бъде последвано от обсъждане на експлоатационните характеристики на експерименталния апарат в Резултати и от кратко обсъждане на тези резултати, както и поглед в близко бъдеще, в Дискусия.

Методи

В този раздел ние даваме преглед на дизайна на нашия експеримент. Трите основни компонента са свръхзвуков атомен Fe източник, лазерна система, способна непрекъснато да генерира над 500 mW UV светлина, и лъчеви маски с периодичност, съответстваща на дължината на вълната на светлината, използвана за фокусиране на атомите Fe.

Източник на лъча.

Разгледаният в този раздел дизайн на източника е описан по-подробно от Bosch et al. (15). Използваме дизайн, базиран на подобни източници, разработен от Hagena (16).

Основното изискване на нашия източник е Fe атомите да имат равномерно разпределение на скоростта, за да се намалят хроматичните аберации при фокусиране. Еднородността на разпределението на скоростта се изразява чрез отношението на скоростта S, дефинирано като съотношението на крайната скорост на потока u и паралелното разпределение на скоростта α∥. Това съотношение на скоростта е от порядъка на единица за топлинни източници; свръхзвуковите източници могат да имат далеч по-големи съотношения на скоростта. Следователно използваме свръхзвуков източник. За съжаление свръхзвуковите източници изискват налягане на входящия газ от 10-10 4 mbar (милибар; 1 mbar = 100 Pa). Fe ще изисква нереално високи температури, за да има такова налягане на парите. Поради това избрахме да използваме Fe като зародишен газ при свръхзвуково разширение на Ar.

С използването на засят свръхзвуков източник сме намалили драстично необходимото налягане на парата на Fe. Ние също така изискваме потока на Fe от източника да бъде достатъчен за постигане на разумна скорост на отлагане. Тази скорост може да бъде постигната при работни температури около 2000 К. Тествани са няколко тигелни конструкции, изработени от три различни материала. Оказа се, че графитът с висока плътност се разтваря в течността Fe. Източниците на борен нитрид (BN) са корозирали от разтопения Fe. Единственият материал, който се оказа устойчив на Fe и изискваните високи температури, беше високо пречистеният алуминиев триоксид (Al2O3), способен да издържи на температури до 2200 K, неговата температура на сублимация. Алуминийът обаче е изключително труден и труден за обработка.

Източникът в експлоатация в момента е показан на фиг. 2. Поради материала, от който е направен, конструкцията на тигела е изключително проста. Нагряването се прилага външно чрез вкарване на тигела във фурна, която се състои от двойно навита графитна нагревателна намотка. За да се предотврати запушването, последната намотка, разположена на дюзата, е направена по-тънка: 1,5 × 5 mm 2 вместо 3 × 5 mm 2 за останалите намотки. Загубите на мощност са сведени до минимум чрез прилагането на обширно топлозащита: 20 слоя танталово фолио около обиколката на цилиндричната фурна и 5 слоя от страната на дюзата. От страната на дюзата е оставен отвор, който позволява разширяване на газа. Излъчването през тази дупка е доминиращият процес на загуба на мощност.

Свръхзвуков източник на атом Fe, с фурната и източника на газ, монтирани на два отделни фланца (1 и 2), заедно с медни съединители за отоплителния ток (3). Fe се посява в свръхзвуково разширение на Ar. Ar се влива в източника от вход за газ Ta (4). Термодвойка (5) измерва температурата на източника. Източникът (6) е направен от алуминиев триоксид и се нагрява от графитна нагревателна бобина (7). Фурната е изолирана от 20 слоя Ta фолио (8) и отвън е с водно охлаждане (9). Лъчът се извлича от камерата на източника чрез скимер (10).

Алуминиевият тигел се състои от две части, вътрешна тръба и външна тръба. Ar се влива във вътрешната тръба от входа за газ. Докато тече през вътрешната тръба, той се нагрява до работната температура на източника. Той излиза от вътрешната тръба през 1-мм отвор, влизайки в камерата на източника. В камерата на източника парата Fe и газът Ar се смесват. Дифузията на изпаренията на Fe в системата на източника се предотвратява, като Ar тече през малкото пространство между вътрешната и външната тръби. След това сместа Ar/Fe излиза през дюза с диаметър 230 μm. Това отклонение води до свръхзвуково разширяване на аргоновия газ.

Аргонът се разширява в камера при 10 -1 mbar; това налягане не може да бъде по-ниско поради големия атомен поток в камерата. Сблъсъкът с фоновия газ кара разширяването да завършва със силни ударни вълни след 20–30 mm, наречено разширение на Campargue (17). За да се извлече стабилен лъч от камерата на източника, коничен скимер се поставя на разстояние 10–15 mm от дюзата. Скимерът извлича част от лъча, който след това се разширява в далеч по-добър вакуум (10 -4 mbar) и не среща фронт на удар. Fe в този лъч ще се използва за отлагане на структури в отделна камера за отлагане, държана при фоново налягане 10 -8 mbar.

Лазерна система.

За лазерно охлаждане и фокусиране на Fe, ние смятаме, че е необходима лазерна мощност от около 500 mW. Няма търговски системи, способни да доставят 500 mW при 372 nm. За да получим светлина с правилната дължина на вълната, удвоихме честотата на търговския лазер Ti: S, работещ при 744 nm, като използваме удвояваща система, построена в Свободния университет в Амстердам.

Удвояването на честотата се основава на нелинейната чувствителност на някои материали. Пълната математическа обработка (19) на задачата дава квадратична зависимост на изходната мощност на втора хармоника от входната мощност: 1 Нелинейният кристал, който използваме за получаване на втората хармоника, е литиев триборат (LBO). За да се увеличи максимално мощността, преминаваща през кристала, кристалът се поставя в пръстеновидна кухина, както е показано на фиг. 3. Кухинната кухина се състои от четири огледала, три с коефициент на отражение R = 0,999 и едно с R = 0,99. Лазерната светлина Ti: S навлиза в кухината през огледалото R = 0,99. Дължината на кухината беше заключена към дължината на входящата лазерна светлинна вълна с помощта на техниката на Паунд-Древър-Хол (20). Финесът на кухината е изчислен на 469.

Лазерната система, която се използва за лазерно охлаждане на Fe. Лазерна светлина при 744 nm се генерира в регулируем Ti: S лазер. Той се подава в пръстеновидна кухина с кристал литиев триборат в него. В кристала светлина при 372 nm се генерира чрез генериране на втора хармоника (SHG), която може да се използва за лазерно охлаждане. Малка част от лазерната светлина се отклонява към кухи катоден разряд (HCD), където поляризационната спектроскопия (PS) генерира сигнал за грешка, използван за поддържане на лазера настроен на дължината на вълната на прехода 5 D4 → 5 F5.

След като получихме необходимата изходна мощност при 372 nm, имаме нужда от начин да заключим дължината на лазерната вълна към дължината на вълната на атомния преход 5 D4 → 5 F5. За целта е необходимо да се извърши поляризационна спектроскопия на този преход (21). Нужен ни е атомен Fe, за да наблюдаваме този преход. В нашата настройка ние генерираме атомите Fe чрез разпрашаване от катода на празен катоден разряд. Разрядът протича на He при 0,2 mbar; въпреки че това може да изглежда странен избор, поради ниската вероятност от разпрашване за такъв лек елемент, той е избран, защото други благородни газове имат относително силни атомни преходи при или много близо до 372 nm. Приложихме поляризационна спектроскопия към този разряд. При поляризационната спектроскопия се компенсира доплерово разширяване на профила на поглъщане (21). Този метод теоретично ни позволява да получим сигнал за грешка с ширина от пик до пик, определена от естествената ширина на линията на прехода, Γ/2π = 2,58 MHz за нашия целеви преход. Тази лазерна система трябва да ни позволи успешно да извършваме лазерно охлаждане и фокусиране на Fe.

Маски за лъчи.

Потенциалът, индуциран от стоящата светлинна вълна, е функция от синусов тип. Ние възнамеряваме да използваме почти параболичните минимуми и, за да създадем структури с нулев фон, да блокираме останалата част от потенциала. Възнамеряваме да постигнем това с използването на лъчеви маски. Тези лъчеви маски биха имали отвори или прорези, значително по-малки от половин дължина на вълната на разстояние от цял ​​брой дължини на вълната. Размерът на процепа или отвора е избран при 100 nm.

Дебелината на маските трябва да бъде от порядъка на размера на процепа от съображения за технологичност. Това означава, че шарката на маската трябва да бъде гравирана в мембрана с дебелина 100 nm. Мембраната е окачена на участък от вафла Si. Изборът на материал е ограничен от факта, че след отлагането върху Si, повечето материали са подложени на вътрешно напрежение. Това напрежение не трябва да е под натиск, за да се предотврати изкривяване и последваща деформация на решетките. Деформацията на опън също трябва да е достатъчно малка, за да предотврати щракване на конструкциите, а самият материал трябва да е достатъчно твърд, за да предотврати деформация на опън. Материалът, който най-добре отговаря на тези критерии, е SiN (22, 23).

Маските са монтирани на секция от стандартна вафла Si [100]. Гравирането на шаблона в маските се извършва в две стъпки. Първо, SiN филмът е покрит с устойчив слой. Желаният модел се гравира в резистентния слой чрез електронно-лъчева литография. Втората стъпка е действителното ецване на SiN филма чрез реактивно йонно ецване. Очакваме маските да позволят достатъчно потискане на сферичните аберации.

Резултати

Продължаваме с дискусия за експлоатационните свойства на частите от инсталацията, завършени досега, започвайки с атомния източник на Fe лъч. Продължаваме да обсъждаме лазерната система и лъчевите маски.

Използваният здрав дизайн на източника продължава повече от 2 години без забележимо влошаване. Тигелът може да работи без презареждане до 200 часа. Типичните работни условия на източника са обобщени в таблица 1. Направихме проучване на свойствата на Fe/Ar лъча, който този източник произвежда. Най-лесният начин да се определят свойствата на лъча на атомен Fe-лъч е по време на полет. Измерихме интензитета и разпределението на скоростта на атомите Fe и Ar с мас спектрометър.

Проектни параметри и стандартни работни условия за източника

При определяне на оптималните характеристики на разширение трябва да вземем предвид несъвършеното извличане на лъча от скимера. Идеалната интензивност на аргоновия лъч I в свръхзвуковото разширение е известна от теорията за динамиката на флуидите (13). Тъй като потокът преминава през скимера, той се отслабва експоненциално (18): 2 където q е параметърът на затихване на лъча, p е работното налягане на тигела, а I0 е действителната интензивност на лъча на централната линия. Това поведение е измерено чрез наблюдение на сигнала на аргоновия спектрометър при променливо налягане в източника и по този начин q е определено. Намерената стойност е q = 10,7⋅10 −4 mbar −1. Същата стойност беше намерена чрез измерване на Fe сигнала.

Като се има предвид интензитетът на Ar-лъча и затихването, има два начина за извеждане на интензитета на железния лъч (15). Едно е да се приеме, че чувствителността на детектора на мас спектрометъра е еднаква и за двата вида и умножава потока на Ar по отношението на Fe сигнала и Ar сигнала. Другият начин е чрез умножаване на потока на Ar със съотношението на наляганията на Fe и Ar. И двата метода дават резултати, които са съгласни в рамките на фактор 2. И за двете оценки интензитетът на Fe лъча е между I (0) = 10 15 s -1 sr -1 и I (0) = 10 16 s -1 sr -1, в зависимост от условията на работа. Времето за настройка на полета също е използвано за измерване на разпределението на скоростта. Средната скорост е u = 1400 m/s при стандартни работни условия (вж. Таблица 2). Установено е, че съотношението на скоростта е S = 11 ± 1 в този случай.

Типични работни условия и свойства на Ar-Fe лъча

UV изходната мощност на лазерната система критично зависи от финес на кухината, която беше определена от измерванията на трансмисията до 177 ± 6. Кухината увеличава мощността на лазера в нея с коефициент 90 и по този начин увеличава 372 nm изходна мощност с коефициент 8100. Изведената мощност при 372 nm се оказва квадратично зависима от входната мощност в кухината, с коефициент на ефективност на преобразуване K = 2,20 ± 0,05 × 10 −4 mW −1. Тази стойност позволява на лазерната система да произвежда над 800 mW 372 nm лазерна светлина, ако се изпомпва с 2 W червена светлина. Редовно се произвеждат 300 mW светлина при мощност на помпата от 1,4 W.

Плътността и температурата на желязото в кухия катоден разряд са измерени чрез абсорбционна спектроскопия. Поглъщането на абсорбцията имаше FWHM от 1,00 GHz и амплитуда около 40%. Температурата се определя от доплеровата ширина на поглъщането на абсорбцията до 673 ± 6 K. От интензивността на поглъщането на абсорбцията атомната плътност на желязото в разряда се оценява на 3,2 ± 0,2 × 10 16 m −3, съответстваща на парциално налягане на парата на Fe от 3 × 10 −6 mbar. От нашата настройка на поляризационната спектроскопия получихме сигнал за дисперсионна грешка с ширина от пик до пик от 40 MHz. Използвайки този сигнал за грешка, ние можем да поддържаме нашата лазерна система в непрекъснато заключване в рамките на 2 MHz от желаната честота.

Произвежданите маски на лъча имат период от 744,2 ± 0,7 nm, двойно по-дълъг от дължината на вълната, която възнамеряваме да използваме. Изработени са както с цепка, така и с точка. Линиите са широки 100 ± 4 nm, а точките имат диаметър 100 ± 4 nm. Предавателните маски покриват площ 250 × 250 μm. SEM снимка на част от пробна лъчева маска за отлагане на линии е показана на фиг. 4.

SEM снимка на маска, която ще се използва за отлагане на Fe линия. Линиите са разположени на разстояние 744,2 ± 0,7 nm и са широки 100 ± 4 nm.