FAZA II

Obiectiv 2. Dezvoltarea unui sistem microscopic confocal pentru nanopaterning.

In aceasta etapa a proiectului a fost configurat sistemul experimental folosit in experimentele de interactie a materiei cu fascicule laser intense si la inscrierea de micro si nano-structuri. Pentru a scrie astfel de structuri, fasciculul laser sau proba sunt translatate cu ajutorul unui sistem mecanic de mare precizie controlat de calculator folosind un sistem piezoelectic ce ofera precizie nanometrica si stabilitate mecanica. Dimensiunea redusa a spotului laser se obtine folosind obiective de microscop cu marire mare, cu optica rezistenta la densitati mari de putere a radiatiei laser.

Pentru a obtine rezolutii cat mai bune la inscrierea de nanostructuri, a fost proiectat un sistem de nanopaterning ce lucreaza in configuratie confocala. Componentele esentiale ale sistemului sunt:

- sistemul confocal format de obiectivele de microscop impreuna cu apertura circulara micrometrica;

- translatiile cu precizie nanometrica ;

- sistemul de vizualizare a zonei de lucru folosind camera CCD.

- software specializat pentru controlul translatiilor nanometrice, intensitatii laserului si focalizarii fasciculului pe proba.

Figura 10. Schema sistemului pentru nanopaterning. L1 – lentila filtru spatial, H – aHhhhh kdkdclsclspertura circulara micrometrica, O1 – obiectiv microscop 5x, O2 – obiectiv microscop 100x, F- translatie Z pentru focalizare; XYZ – translatii XYZ cu motor pas cu pas si delpasari piezoelectrice, P – proba, I – iluminator, D – oglinda dicroica, M – oglinda, L2 – lentila 200mm pentru formarea imaginii, CCD – camera video.

Dupa implementarea efectiva a montajul experimental, s-au facut o serie de teste de rezolutie si stabilitate. Sistemul este optimizat pentru obtinerea unei rezolutii cat mai bune si astfel incat sa poata corespunde cerintelor unui sistem performant de inscrierea directa cu laserul a micro- si nano-structurilor. Pentru a mari precizia de deplasare a translatiilor XYZ este necesara o calibrare a sistemului de microdeplasari.

Componentele mecanice cum ar fi filetele, parghiile etc, ce compun cubul de translatiile XYZ, sunt realizate cu o anumita toleranta mecanica. De exemplu pasul filetelor la motorasele pas cu pas este realizat cu o eroare de 0.5 microni. Practic, aceste erori se acumuleaza cu fiecare componente mecanica ce intra in constitutia ansamblului de microdeplasari. Desi eroarea totala a deplararilor poate astfel sa ajunga de ordinul a zeci microni, aceste erori sunt repetibile si astfel pot fi compensate.

In procesul de calibrare, sunt inregistrate abaterile de la pozitia nominala pentru un numar mare de puncte. Aceste date sunt stocate intr-un fisier de calibrare si accesate de software-ul translatiilor. Atunci cand este apelata o comanda de deplasare pe o anumita directie, tabelul de calibrare este consultat, iar pozitia nominala este recalculata astfel incat pozitia finala sa fie cu precizie cea ceruta de utilizator.

Verificarea deplasarii translatiilor se poate face prin metode interferentiale. In cazul nostru a fost folosit un interferometru comercial de mare precizie SIOS, model MI-5000 . Aparatul este capabil sa masoare deplasari de ordinul 1nm pana la 5m cu precizie subnanometrica.

Figura 12 Configurarea si realizarea sistemului optomecanic pentru nanopaterning.

In figurile de mai jos sunt prezentate masuratorile efectuate pentru calibrarea translatiilor pe cele trei directii. Pentru fiecare directie in parte se masoara diferenta dintre deplasarea comandata prin software depasarea inregistrata de interferometru pe un interval de la 0 la 4000 m. Se observa o depententa neliniara a abaterilor de la pozitia comandata. Aceste erori de deplasare sunt inregistrate sub forma unui tabel, intr-un fisier de tip .dat. Acest fisier reprezinta fisierul de configurare accesat de software-ul ce controleaza translatiile pentru a corecta si marii precizia deplasarilor.

Figura 13. Diferentele dintre deplasarile teoretice (comandate prin software) si experimenatale (masurate interferential) pentru directia Z (deplasarile pe directiile X si Y sunt masurate in mod similar).

Calibrarea astfel realizata asigura o precizie de deplasare pe toate cele trei directii mai buna de 500nm, atunci cand sunt folosite doar motorasele pas cu pas.

Sistemul de deplasari este dotat si cu translatii piezoelectrice cu sensor pentru corectia feadback-ului specific actuatorilor piezoelectrici. Atunci cand este folosit acest sistem, corectia de deplasare se face in mod automat si se ajunge la o precizie de ordinul a 5nm pe toate cele 3 directii.

In concluzie sistemul de nanopaterning este proiectat astfel incat sa functioneze in urmatoarea configuratie:

- sursa de radiatie laser cu pulsuri ultrarapide 150fsec, 775nm functionand in doua regimuri energetice: - 2kHz, 700J ;

- 35MHz, 150pJ ;

- sistem de focalizare a fasciculului functionand in configuratie confocala ;

- translatii XYZ controlate prin calculator, cu deplasari cu precizie nanometrica ;

- sistem de vizualizare a zonei de lucru folosind camera CCD conectata la monitor ;

- software pentru pozitionarea fascicolului si pentru autofocalizare.