Импульсная лазерная субволновая литография для сверхплотной записи информации, получения структурных цветов и антиконтрафактной маркировки

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-72-20122

НазваниеИмпульсная лазерная субволновая литография для сверхплотной записи информации, получения структурных цветов и антиконтрафактной маркировки

Руководитель Кучмижак Александр Андреевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук , Приморский край

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова фемтосекундные лазерные импульсы, лазерная литография, оптически резонансные наноструктуры, структурные цвета, видимый и УФ спектральный диапазон, самоорганизация, лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры, запись информации, борьба с контрофактной продукцией

Код ГРНТИ29.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Взаимодействие широкополосного видимого излучения с оптически резонансными наноструктурами лежит в основе перспективной технологии получения и воспроизведения на наномасштабах “структурных” цветов, которые не подвержены деградации и выгоранию под действием УФ излучения и температуры, свойственным органическим и неорганическим пигментам и красителям. С этой точки зрения, технология, использующая структурные цвета, являются более экологичной, долговечной и дешевой в переработке, обеспечивая получения ярких (в сравнении с красителями) цветовых оттенков с расширенным динамическим диапазоном и латеральным разрешением, на несколько порядков превышающим возможности лучших коммерческих принтеров. Ожидается, что разработки, активно ведущиеся научными группами и частными компаниями в области технологий структурных цветов, уже в ближайшем будущем внесут существенный вклад в развитие таких важнейших технологических областей как конструирование сверхтонких оптических фильтров, разработка дисплеев нового поколения, развитие методов маркировки ценных товаров и т.д. Более того, широкий набор доступных материалов (благородные и хорошо отражающие металлы, стандартные полупроводники с высоким показателем преломления и т.д.), на основе которых могут быть реализованы требуемые резонансные наноструктуры, делает технологию структурных цветов потенциально совместимой с существующими индустриальными CMOS-технологиями. Вместе с этим, практическая реализация технологии структурных цветов требует формирования и упорядочения оптически резонансных наноструктур с нанометровым разрешением, оставаясь прерогативой электронной литографии - дорогостоящего многостадийного и технологически сложного процесса изготовления, существенно затрудняя внедрение метода структурных цветов в различные технологические сферы. Настоящий проект направлен на развитие экономически обоснованных и высокопроизводительных лазерных технологий изготовления оптически резонансных 3D наноструктур, обеспечивающих возможность воспроизведения «структурных» цветов палитры RGB на наномасштабе, а также высокопроизводительную лазерную печать безпигментных цветовых (в том числе, скрытых) изображений с латеральным разрешением 50000 точек на дюйм. Реализация запланированных целей проекта будет, прежде всего, опираться на фундаментальные исследования взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов видимого и УФ диапазона с различными конфигурациями материалов (одно- и многослойные пленки благородных металлов и полупроводников, объемные мишени и т.д.), а также исследования процессов лазерно-индуцированной самоорганизации на наномасштабе. Такие исследования позволят реализовать на практике эффективные методы субдифракционной лазерной печати оптически резонансных 3D наноструктур с перестраиваемым оптическим откликом и организацией таких структур в более комплексные цветовые пиксели - для обеспечения соответствующего латерального разрешения и контроля яркости каждого отдельного пикселя. Вариация геометрических параметров и химического состава единичных нанорезонаторов позволит варьировать в широких пределах их оптические свойства, в том числе, добиться анизотропии оптического отклика при определенных условиях оптического возбуждения (поляризованная или угловая засветка и т.д.), открывая перспективы для реализации различных схем записи и шифрования оптической информации, а также использования такого подхода для антиконтрафактной маркировки продуктов. Учитывая, что спектр потенциальных применений оптически резонансных наноструктур и нанотекстурированных поверхностей не ограничивается разрабатываемой в проекте технологией структурных цветов, наличие масштабируемой и конкурентоспособной технологии субволновой лазерной печати ожидаемо придаст импульс к развитию различных смежных научных и технологических областей, находящихся в русле направления Н1 Стратегии НТР Российской Федерации, как например, квантовые технологии, оптическая био- хемосенсорика, нанофотоника, плазмоника и т.д.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Д. Павлов, В. Лапидас, А. Жижченко, Д. Стороженко, А. Кучмижак Ablation-Free Laser Printing of Structural Colors in Reflection at 25,000 DPI Journal of Physics: Conference Series, 012106, 2015 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2015/1/012106

2. В. Лапидас, А. Жижченко, Е. Пустовалов, Д. Стороженко, А. Кучмижак Direct laser printing of high-resolution physically unclonable function anti-counterfeit labels Applied Physics Letters, 120 (26), 261104 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0091213

3. С. Сюбаев, И. Гордеев, Е. Модин, В. Терентьев, Д. Стороженко, С. Стариков, А. Кучмижак Security Labeling and Optical Information Encryption Enabled by Laser-Printed Silicon Mie Resonators Nanoscale, DOI: 10.1039/D2NR04179K (год публикации - 2022)
10.1039/D2NR04179K

4. Ф. Киэль, С. Тринчек, А. Кучмижак, Е. Гуревич Colouration of diamond surfaces by laser-induced periodic surface structuring Optics & Laser Technology, 168, 109882 (год публикации - 2024)
j.optlastec.2023.109882

5. А.В. Дышлюк, А. Проскурин, А.А. Богданов, О.Б. Витрик Scattering Amplitude of Surface Plasmon Polariton Excited by a Finite Grating Nanomaterials, 3(14), 2091 (год публикации - 2023)
10.3390/nano13142091

6. С.О. Гурбатов, Ю.М. Бородаенко, Д.В. Павлов, Е.В. Мицай, А.П. Елисеев, С.И. Лобанов, Л.И. Исаенко, А.А. Кучмижак Fabrication of Anti-Reflection Coatings on GaSe Crystal Surfaces by Laser-Induced Periodic Surface Structuring Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, Vol. 86, Suppl. 1, pp. S81–S84 (год публикации - 2022)

7. В. Лапидас, А. Черепахин, Д. Стороженко, Е.Л. Гуревич, А. Жижченко, А. Кучмижак Surface Coloring and Plasmonic Information Encryption at 50000 dpi Enabled by Direct Femtosecond Laser Printing Nano Letters, 24 (40), 12590-12596 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03576

8. В. Ярошенко, А. Ларин, С. Сюбаев, И. Важенин, П. Кустов, Д. Долгинцев, Е. Агеев, С. Гурбатов, А. Максимова, К. Новикова, С. Бабин, А. Козлов, А. Достовалов, А. Кучмижак, Д. Зуев IR Hidden Patterns for Security Labels The Journal of Physical Chemistry Letters , 15 (38), 9714-9722 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c02051

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Заключительный год реализации проекта был посвящен демонстрации и оптимизации нескольких перспективных подходов к записи оптической информации с высоким разрешением за счет использования методов прямого лазерного наноструктурирования и специально спроектированных трехслойных покрытий. Были также развиты подходы для формирования многоцветных структурных изображений с рекордным для лазерных методов записи разрешением до 50000 точек на дюйм, а также оптически анизотропных, многоуровневых и скрытых изображений с оригинальными методиками считывания. Для реализации методов печати были разработаны несколько типов трехслойных покрытий, в то время как, для оптимизации процесса лазерной печати многоцветных изображений впервые были адаптированы и успешно применены методы машинного обучения. В частности, в рамках реализации проекта был разработан метод прецизионной печати многоуровневых цветовых и скрытых изображений на поверхности трехслойных покрытий Фабри-Перо типа благородный металл – диэлектрик - благородный металл. Метод основан на локальном воздействии на верхнюю пленку трехслойного покрытия остросфокусированных фемтосекундных лазерных импульсов, приводящем к формированию различных типов поверхностных нано-морфологий, модулирующих локальные оптические свойства поверхности. Показано, что вариации параметров лазерного воздействия позволяет прецизионно контролировать процессы термомеханической абляции и реализовывать различные типы наноструктур, тем самым, задавая локальный цветовой оттенок, в то время как изменение расстояния между отдельными наноструктурами позволяет управлять насыщенностью цвета. Оптимизация состава трехслойных покрытий позволяет максимально расширить палитру цветовых оттенков, в то время как сами структурные изображения обеспечивают возможность пассивации покровными диэлектрическими слоями, а также демонстрируют отличную стабильность при длительном хранении. Дополнительной реализованной для данного метода уникальной модальностью является возможность записи многоуровневых и скрытых цветовых изображений со считыванием при визуализации в скрещенных поляризаторах. Подход основан на эффекте деполяризации падающего на напечатанные лазером наноструктуры, при возбуждении в них плазмон-поляритонных волн. Кроме того, был разработан метод фемтосекундной лазерной записи анизотропных цветных изображений с разрешением до 50000 точек на дюйм на основе лазерно-индуцированных нано-решеток, формирующихся на поверхности трехслойных пленок титан - диоксид титана - титан. Исследования показали, что многоимпульсное облучение поверхности такого покрытия приводит к его структурной трансформации посредством оксидирования верхней пленки, а также формированию поверхностного нано-рельефа - квази-упорядоченных нанорешеток, обусловленных интерференцией падающего электромагнитного поля с поверхностными или рассеянными электромагнитными волнами. Управляемые параметрами лазерного воздействия интерференционные процессы определяют морфологию и ориентацию нано-решеток (относительно поляризации записывающего лазерного излучения), формирование которых на поверхности, в свою очередь, приводят к перманентной модификации локальных оптических свойств. Для описанного метода была продемонстрирована возможность оптимизации процесса паттернирования и записи структурных анизотропных и скрытых изображений с высоким разрешением за счет применения для анализа массива экспериментальных данных перспективных алгоритмов машинного обучения. Наконец, был разработан новый метод формирования скрытых ИК изображений и записи информации с использованием технологии формирования лазерно-индуцированных нано-решеток и специальным образом спроектированных трехслойных покрытий, в которых между пленками аморфного кремния толщиной 140 нм находится нано-слой металлического эрбия толщиной 20 нм. Метод основан на модуляции интенсивности спонтанной эмиссии эрбиевого слоя посредством термо-индуцированной диффузии его атомов и формировании связей типа Er-O, Er-Si, Er-O-Si в процессе лазерного паттернирования трехслойного покрытия. Вариация параметров лазерного воздействия на указанное покрытие позволяет подобрать режимы паттернирования, для которых заметная модуляция сигнала спонтанной ИК эмиссии эрбия не сопровождается заметными изменениями оптических свойств нанотекстурированной поверхности образца при ее визуализации в видимой области спектра, тем самым, открывая перспективы для записи стабильных во времени и защищенных от воздействия окружающей среды скрытых ИК изображений. Таким образом, в заключительный год реализации проекта были успешно выполнены все исследования в полном соответствии с заявленным планом. Полученные в отчетный период результаты были опубликованы в 2х высокорейтинговых научных журналах Nanoletters (Q1, IF=9.6) и The Journal of Physical Chemistry Letters (Q1, IF=4.9), обеспечивая небольшое превышение публикационных показателей с учетом квартилей изданий. Кроме того, одна отчетная статья находится на рассмотрении в высокорейтинговом журнале ACS Applied Materials & Interfaces (Q1, IF=9.0), черновик статьи приложен к отчету.

Публикации