Создание атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием квазирезонансного лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

004613437

Афанасьев Антон Евгеньевич

СОЗДАНИЕ АТОМНЫХ МИКРОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КВАЗИРЕЗОНАНСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Специальность: 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата физико - математических наук

1 8 НОЯ 2010

Москва-2010

004613437

Работа выполнена на кафедре квантовой оптики Московского Физико-Технического Института (Государственного университета).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор, Балыкин Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор, Миногин Владимир Георгиевич

кандидат физико-математических наук, Зибров Сергей Александрович

Ведущая организация: Международный учебно-научный лазерный

центр МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва)

Защита состоится «25»_ноября__2010 г. в 14 часов на заседании

Диссертационного Совета Д002.014.01 при Учреждении Российской академии наук Институт спектроскопии РАН (ИСАН) по адресу: Московская обл., г. Троицк, ул. Физическая, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИСАН

Отзывы направлять по адресу: 142190, Московская обл., г.Троицк, ул. Физическая, д. 5

Автореферат разослан « 2.1» октября 2010 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

Актуальность темы

В основе современных тенденций повышения пропускной способности каналов связи и увеличения энергоэффективности используемых приборов лежит разработка и использование электронных компонентов меньшего размера. Успех в данной области, в первую очередь, обусловлен бурным развитием кремниевой технологии, что привело к появлению широкого научного и технологического направления -наиотехнологня [1].

Развитие микро и нанотехнологий, происходит в трех основных направлениях: разработка новых электронных копонентов; управление единичными атомами и молекулами; разработка и изготовление наномашин, т. е. механизмов и роботов размером с молекулу. Наибольшее развитие и применение микро- и нанотехнология получили в электронной технике при изготовлении планарных электрических схем. Выделяют два подхода к созданию структур на поверхности: "сверху-вниз"и "снизу-вверх"[2]. Подход "сверху-вниз"основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения требуемых объектов. К данному подходу относятся методы фотолитографии, которые широко применяются в современной кремниевой технологии. Идея создания структур на поверхности с использованием подхода "снизу-вверх11 заключается в сборке объекта непосредственно из его структурных элементов (атомов, молекул, фрагментов биологических клеток и т. п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать обратным по отношению к привычному методу миниатюризации "сверху-вниз"в котором происходит постепенное уменьшение деталей. К подходу "снизу-вверх"относятся методы самосборки, которые считаются наиболее перспективными для построения структур с атомарной точностью.

Альтернативным методом в реализации подхода "снизу-вверх "является использование элементов атомной оптики. Применение методов контроля степеней свободы атомов при помощи электромагнитных полей позволяет осуществлять управление атомами и молекулами, вплоть до одиночных, с нанометровой точностью. Одним из основных направлений атомной оптики является разработка элементов, подобных элементам световой оптики, таких как атомные линзы, зеркала, расщепители пучков, интерферометры,

3

Л

У

а также их практическое применение. Среди многих возможных применений атомно-оптических устройств одно применение, потенциально важное для микро и нанофабрикации материальных структур, обычно называют атомной литографией [3]. В этом методе при нанесение структур на поверхность внутренние и внешние степени свободы атомов контролируются с нанометровой точностью внешними электромагнитными полями. Поскольку этот подход использует нейтральные атомы, то он обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Прежде всего, стоит отметить малый фундаментальный предел пространственного разрешения, накладываемый дифракцией. Кроме того, использование нейтральных атомов, позволяет избежать сил кулоновского взаимодействия, которые ограничивают пространственное разрешение электронной и ионной литографии. Наконец, манипулирование атомами может быть реализовано параллельно, что позволяет производить одновременную обработку относительно больших поверхностей.

В последние годы были выдвинуты ряд предложений и выполнены эксперименты по нанофабрикации атомных структур сфокусированными атомными пучками. В основе методов фокусировки лежит механическое воздействие на нейтральные атомы со стороны квазирезонансного лазерного излучения.

В основе одного из первых методов фокусировки лежит использование градиентной силы, действующей на атом со стороны пространственно неоднородного электромагнитного поля сфокусированного лазерного луча [4]. Возможность создания микро и наноструктур периодической формы, при взаимодействии атома со стоячей волной, была продемонстрирована в экспериментах [5], в которых была реализована система полос из атомов хрома с шириной 65 нм. Недостатком такого метода литографии является отсутствие возможности создания атомных микро и наноструктур произвольной формы.

Для реализации наноструктур на поверхности твердого тела может быть использовано действие градиентной силы на атом со стороны неоднородного ближнего поля, возникающего вблизи субволнового отверстия в металлическом экране при его освещении лазерным излучением [6]. Анализ показывает, что такая конфигурация поля позволяет фокусировать атомный пучок, проходящий через отверстие вплоть до ангстремных размеров. Развитием концепции использования ближнего поля вблизи апертуры является построение

атомной линзы на базе плоского оптического волновода с наноап-пертурой. Преимуществом такой конфигурации является отсутствие взаимодействия атомов с отраженным излучением. В зависимости от конфигурации поля в полости волновода вблизи аппертуры образуется распределение ближнего поля либо с максимумом плотности в полости отверстия (фотонная точка), либо с минимумом (фотонное отверстие). Обе данные конфигурации можно использовать для фокусировки атомного пучка, пролетающего сквозь аппертуру [7]. Использование набора таких линз в одном экране позволяет одновременно напылять большое количество одинаковых наноструктур на подложку.

Одним из основных факторов влияющих на формирование микро и наноструктур на поверхности является поток атомов сталкивающихся с подложкой [8]. Управление плотностью атомов, приходящих во взаимодействие с поверхностью, а также контроль их пространственных степеней свободы являются необходимыми условиями при создании структур заданной геометрии методами атомной оптики. Разработка методов атомной литографии и способов ее применения являются сложными и актуальными на сегодняшний день задачами.

Постановка задачи

Целью данной работы являлся исследование и разработка альтернативных методов создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием элементов атомной оптики. Данное направление работы обусловлено широким развитием представлений о механизмах управления отдельными атомами и активным исследованием методов создания структур с использованием подхода "снизу вверх". Поиск возможных применений атомной оптики для создания структур на поверхности твердого тела оправдан и заслуживает отдельного рассмотрения. В качестве методов атомной литографии в диссертациаонной работе рассматриваются следующие:

• Фокусировка атомного пучка с использованием двумерной магнито-оптической ловушки (20 МОЛ);

• Квантовая адсорбция атомов на поверхность твердого тела.

Положения защищаемые в диссертации.

• Предложена и экспериментально реализована фокусировка атомного пучка в микронный диапазон с использованием 2Б МОЛ;

• Предложен метод литографии микроструктур на поверхности твердого тела с использованием атомной фокусировки 20 МОЛ;

• Экспериментально реализована квантовая адсорбция атомов на поверхности твердого тела с использованием неупругих столкновений атомов в присутствии квазирезонансного лазерного излучения;

• Предложен и реализован способ создания микроструктур на поверхности твердого тела с использованием квантовой адсорбции атомов.

Научная ценность работы

Был предложен и экспериментально реализован режим фокусировки двумерной магнито-оптической ловушки, что позволило создать метод локального увеличения плотности атомов. Пространственные размеры области ограничены импульсной диффузией атомов, пролетающих область 2D МОЛ.

Впервые была реализована схема квантовой адсорбции атомов на поверхность твердого тела под воздействием квазирезонансного лазерного излучения. Квантовая адсорбция атомов за счет взаимодействия с полем лазерного излучения является обратным процессом к эффекту фотоиндуцированной десорбции с поверхности твердого тела. Реализованный механизм загрузки атомов в потенциальную яму ван дер Ваальса позволяет производить локализацию атомов на поверхности твердого тела с высокой точностью. Реализованная схема позволила изучить возможность создания микроструктур на поверхности подложки с использованием подходов атомной оптики.

Полученные результаты в ходе выполнения диссертационной работы являются новыми и оригинальными. Произведенные исследо-

вания актуальны как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

Практическое значение полученных результатов

Разработка и исследование альтернативных методов реализации микро- и наноструктур на поверхности твердого тела открывает возможность для развития не только новых способов конструирования электрических схем в качестве элементной базы электроники, но и позволяет с меньшими затратами производить исследования в таких современных областях науки как наноплазмоника и нанофотоника.

Публикации по результатам диссертационной работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных статьях журналов, входящих в перечень ВАК.

• П.Н. Мелентьев, П.А. Борисов, С.Н. Руднев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин, "Фокусировка атомного пучка двумерной магнито-оптической ловушкой", Письма в ЖЭТФ, т. 83, с. 1620 (2006).

• А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом", Письма в ЖЭТФ, т. 86, с. 198-203 (2007).

• А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов", Известия Российской академии наук, серия физическая, т. 72, с. 701-706 (2008).

• А. Е. Afanasiev, Р. N. Melentiev, and V. I. Balykin, "Atom Surface Trap Based on Laser-Induced Quantum Adsorption", Proc. SPIE, V. 7024, p. 702402 (2008).

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института Спектроскопии, на научном семинаре Университета электро-коммуникаций (Япония), а также на Российских и международных научных конференциях:

• Симпозиум по передовым приложениям лазеров - "Atom beam focusing by 2D MOT", Берлин, Дрезден, Германия, 21 - 26 мая (2005).

• 49-я научная конференция МФТИ - "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом"(2006).

• 50-я научная конференция МФТИ - "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов "(2007).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур на поверхности на основе квантовой адсорбция атомов, индуцированной лазерным излучением", XII Международный Симпозиум по Нанофизике и Наноэлектро-нике, Н. Новгород, 10 - 14 марта (2008).

• А.Е. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface trap based on energy pooling collisions", German-Russian Lasersymposium, 12-18 April,Luebeck, Rostock and Hamburg, (2008).

• A.E. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface Trap", International Symposium on Physics of Cold Trapped Atoms, Trondheim, Norway, June 30 - July 04 (2008).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур на поверхности на основе квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением", Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники "Фотоника- 2008", Новосибирск, август, Россия (2008).

• А.Е. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Control of laser adsorption by laser light", The fifth international symposium

Modern Problems of Laser Physics, Новосибирск, 24-30 августа, (2008).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, Д.А. Лапшин, В.И. Балыкин, A.B. Заблоцкий, A.A. Кузин, A.C. Батурин, Ю. Агафонов, А.Ф. Вяткин, В.А. Скуратов, П.Ю. Апель - "Атомная Нанолитогра-фия", школа молодых ученых "Современные проблемы лазерной физики "(2009).

Структура и объём диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав и заключения. Работа изложена на 109 страницах, включая 62 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 119 наименований.

Краткое содержание работы

В главе 1 "Введение"произведен анализ литературы характеризующей существующие методы создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела. Наиболее развитыми способами создания структур на поверхности подложек относятся к подходу "сверху-вниз". В качестве альтернативных методов литографии рассмотрены подходы атомной оптики, которые относятся к методам "снизу-вверх". Основным элементом атомной литографии является техника фокусирования атомных пучков, которая может быть использована как при непосредственной атомной литографии, так и для повышения локальной плотности атомов.

На основании произведенного анализа существующих методик литографии и предложенных альтернативных методов была обоснована актуальность выбранной темы. Определена цель и задачи диссертационной работы.

В главе 2 "Динамика атомов вблизи и на поверхности твердого тела при формировании атомных структур "рассмотрена динамика атомов при взаимодействии с поверхностью твердого тела. Взаимодействие атомов с поверхностью приводит к адсорбции атомов, которая является одним из основных процессов при создании атомных микроструктур на поверхности твердого тела. Помимо этого на процесс формирования атомных структур влияет динамика атомов на

поверхности подложки. Динамика атомов вблизи поверхности твердого тела рассматривается в приближении взаимодействия вам дер Ваальса.

Адсорбция атомов на поверхность подложки приводит к увеличению плотности атомов на поверхности твердого тела. Каждый атом обладает временем жизни в потенциале ван дер Ваальса п может покинуть его приобретя энергию за счет взаимодействия с фононными колебаниями поверхности. Характерное время жизни атома на поверхности твердого тела составляет сотни микросекунд. В течении этого времени атом диффундирует вдоль поверхности подложки в процессе которой возможны парные столкновения с образованием более стабильных во времени островов. Скорость диффузии определяется свойствами поверхности и атома. Помимо диффузии островки могут зарождаться при непосредственной адсорбции атомов вблизи друг-друга.

Стабильность островов и скорость роста структуры зависит от свойств подложки, материала и потока атомов адсорбата. Основной характеристикой при определении внутреннего строения структуры является свободная поверхностная энергия материалов. В частности шероховатость создаваемой структуры зависят от соотношения этих энергий. На основании описанной теории приведен аппарат оценки структуры и скорости роста островов.

Отдельно рассмотрены существующие и наиболее распространенные методы зондирования поверхности. Представлен аналитический аппарат регистрации атомных микроструктур по рассеянному излучению.

Глава 3 " Фокусировка атомного пучка для применения в литографическом процессе "посвящена исследованию возможности создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием методов атомной оптики пространственного контроля атомных пучков. Предложен метод использования квадрупольного магнитного поля совместно с двумерной конфигурацией а+ — а~ поляризованного лазерного излучения для фокусировки теплового атомного пучка в область микронного размера.

Динамика центра масс атома в поле световой волны длина которой много много больше размеров атома определяется электрическим дипольным взаимодействием. Взаимодействие индуцированного излучением дипольного момента с электрическим полем элек-

тромагнитнои волны приводит к появлению силы, действующей на атом со стороны поля. Полная сила состоит из суммы двух сил: силы радиационного давления Frp и дипольной градиентной силы Fgr [9].

F — Frp + Fgr, (1)

Frp = ftfcri + 6?(r) + (V-b)2/r2' (2)

+ (3)

где G(r) = I(г)/1sat -параметр насыщения атомного перехода.

В работе исследуется метод фокусировки атомного пучка с использованием силы радиационного давления, которая позволяет контролировать траектории движения атомов пучка. Анализ выражения 2 показывает, что величина силы, действующей на атом, резонансным образом зависит от отстройки лазерного излучения и скорости атома. Изменение направления траектории атома, вызванное действием силы светового давления, характеризуется изменением скорости атома, что приводит к уменьшению силы взаимодействия в следствии эффекта Доплера. Компенсация описанного процесса производится за счет эффекта Зеемана взаимодействия атома с магнитным полем [10] величина которого зависит от структуры атома и определяется величиной а.

В двумерной магнито-оптической ловушке в направлении каждой из осей х и у действует по два циркулярно поляризованных лазерных луча, один из которых ст+-поляризован, в то время как второй - <т~. Помимо такой конфигурации лазерных полей в конфигурации 2D МОЛ используется квадрупольное в плоскости ху поле, компоненты которого линейно зависят от координаты (Вх = ах, Ву = ау, где а - градиент магнитного поля), что приводит к зависимости силы светового давления 2 от координаты. Таким образом на атом, находящийся в поле действия 2D МОЛ по каждой из осей х и у действует сила:

Fx,y = F0G (1 + G + (S_ _ aa{Xi у})2/г2 -1

1 + G +(5 + kvx,v + aa{x, у})2/Г2 J ' (4)

F0 = hkT (5)

Траектории атомов, пролетающий вдоль оси z и испытывающих действие данной силы, были рассчитаны при помощи компьютерного моделирования. Анализ выражения для силы и данных расчетов показал возможность острой фокусировки для выбранной скоростной группы атомов. При этом фокусное расстояние / такой атомной линзы определяется из соотношения:

/ = (6)

где Ъ = /ißa//i приведенный градиент магнитного поля, к - волновой вектор поля.

Размер перетяжки атомного пучка в фокусе определяется следующими факторами: 1)диффузия импульса, вызванная стохастической природой силы светового давления; 2) пространственная неоднородность лазерного поля; 3) пространственная неоднородность магнитного поля; 4) начальный разброс поперечных скоростей. При типичных параметрах 2D MOJI размер перетяжки в фокусе составляет величину 208 мкм.

Экспериментальное исследование фокусировки пучка атомов двумерной магнито-оптической ловушкой производилось с использованием атомов рубидия. Экспериментальная установка состояла из вакуумной камеры, двух лазерных систем и ряда детекторов излучения. Вакуумная камера откачивалась с использованием диффузионных насосов до давления остаточных паров 3 х Ю-7 Topp. Для получения атомного пучка использовалась атомная пушка, основанная на термическом нагреве небольшого количества металлического рубидия. Использованные при проектировании атомного источника конструктивные решения позволили создать атомный пучок с высокой плотностью атомов вблизи оси и обогащенной пизкоскоростной частью максвелловского скоростного распределения.

Использованные лазерные системы были реализованы на основе коммерческих одномодовых лазерных диодах с длиной волны 780 нм. Для осуществления цикличности взаимодействия атомов рубидия с полем лазерного излучения использовалась СВЧ модуляция тока лазерного диода. В этом случае в спектре излучения формируются линии излучения на частотах отстающих от несущей на величину модуляции [11]. Для увеличения мощности силового лазерного излучения использовался лазерный усилитель. При этом частота

12 13 14 11 1« 17 11 19 20

Расстояние (мм)

Рис. 1: Фокусировка атомного пучка в 2D MOJI с продольными скоростями 100 м/с.

излучения стабилизировалась с использованием техники активной стабилизации частоты DAVLL.

Регистрация пространственного распределения атомов производилась с использованием ПЗС-матрицы SPEC-10 производства компании Princeton Instruments. В ходе измерений регистрировалась амплитуда флюоресценции атомов, возбуждаемая резонансным лазерным излучением.

На рисунке 1 представлены полученные в эксперименте профили пространственного распределения атомов с продольной скоростью 100 м/с. При выключенных магнитном и лазерном полях наблюдается широкий атомный пучок шириной 2,5 мм. После включения лазерного поля происходит демпфирование поперечных скоростей атомов, что приводит к незначительномму ссужению пространственного распределения атомного пучка и увеличению его плотности. После включения магнитного поля с градиентом а=10 Тс/см происходит резкая фокусировка пучка в область с перетяжкой порядка 270 мкм. Для компенсации магнитного поля Земли использовались катушки Гемгольца, что позволило улучшить характеристики фокусировки.

Атомы различных скоростных групп фокусируются в различные точки пространства, на расстояниях линейно зависящих от продольной скорости атомов. Данное обстоятельство может быть использовано для скоростной монохроматизации теплового пучка атомов

Скорост (м/с) Скорост (м/с)

Рис. 2: Скоростная монохроматизация атомов при их фокусировке 2Б МОЛ и пространственной селекции в фокальной плоскости. Сплошная кривая показывает первоначальное скоростное распределение атомов пучка. Точками представлено скоростное распределение после включения 2Б МОЛ. а) Точка фокусировки лежит на оси атомного пучка; б) ось атомного пучка и ось 2Б МОЛ составляют угол 2° между собою.

путем размещения в пространстве диафрагмы, что аналогично пространственной фильтрации оптического излучения. Результаты изменения скоростного распределения пучка после помещения в фокальную плоскость отверстия диаметром 120 мкм представлены на рисунке 2а). Сплошная кривая показывает первоначальное скоростное распределение атомов пучка. Точками представлено скоростное распределение после включения 2В МОЛ. Из графика видно, включение 2Б МОЛ приводит к существенному изменению скоростного распределения: возникает максимум распределения вблизи скоростной группы 90 м/с. Этот пик соответствует атомам теплового пучка, которые фокусируются в районе диафрагмы. Видно, что количество прошедших атомов на скорости 90 м/с увеличивается в 40 раз после включения 2Б МОЛ. Наклон оси распространения атомного пучка относительно оси 2Б МОЛ на угол 2° позволили увеличить степень монохроматизации пучка 26. В силу этого наиболее вероятная скорость атомов в пучке уменьшается с 340 м/с до 100 м/с. Ширина полученного контура распределения на полувысоте равна 60 м/с, что существенно меньше изначального (~350 м/с).

Экспериментальные исследования показали, что использование конфигурации постоянного магнитного и квазирезонансного электромагнитного полей позволяет осуществлять как высокую моно-хроматизацию теплового атомного пучка, так и его высокую степень фокусировки. Последнее обстоятельство делает возможным использование описанной конфигурации атомной линзы при создании атомных структур на поверхности твердого тела или для локального повышения плотности атомов в области атомных микролинз [6].

Глава 4 " Создание атомных микроструктур при квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением"посвящена контролю скорости адсорбции атомов на поверхность твердого тела при помощи квазирезонансного лазерного излучения. Контроль адсорбции атомов на поверхность твердого тела с использованием лазерного излучения имеет устоявшееся в литературе название "квантовая адсорбция". Теоретически предложенная в литературе схема адсорбции атомов аналогична фотоассоциации атомов друг с другом [12]. В случае взаимодействия атома с поверхностью твердого тела, предполагается, что атом занимает один из энергетических уровней в потенциальной яме ван дер Ваальса за счет взаимодействия с квазирезонансным электромагнитным полем.

При рассмотрении динамики атомов рубидия вблизи поверхности твердого тела были численно рассчитаны уровни энергии атома в потенциальной яме ван дер Ваальса вблизи поверхности кристалла YAG. Используя эти результаты был произведен расчет вероятностей фотоассоциации атомов рубидия с поверхностью твердого тела. Данный расчет подтвердил результаты других научных групп о низкой эффективности предложенного процесса фотоассоциации.

В главе 4 также предложен и экспериментально реализован альтернативный способ квантовой адсорбции. Предложенный метод основан на использовании неупругих столкновений возбужденных атомов вблизи поверхности твердого тела. Процесс столкновения возбужденных атомов щелочных металлов широко известен в литературе [13]. Облучение плотных атомных паров (5 х Ю-2 Topp) квазирезонансным лазерным излучением приводит к появлению стационарной концентрации атомов в возбужденном состоянии. В процессе столкновения таких атомов возможен процесс обмена энергиями, в частности, возможен процесс релаксации одного из атомов в основное состояние с передачей энергии второму атому. Это приводит к

возбуждению атома на высоколежащие энергетические уровни. При этом в эксперименте наблюдается флуоресценция с этих уровней. Для атомов щелочных металлов процесс неупругих столкновений с последующим возбуждением одного из атомов проходит в соответствии со следующей реакцией:

X(np2Pj) + X(np2Pj>) X(n"l'nLj") + X{ns2Slß) ± |AE\, (7)

где X(n"l"^Ljn) высоковозбужденный уровень с энергией примерно равной удвоенной энергии уровня пр. Величина АЕ является дефектом энергии, рассматриваемого процесса. В случае атомов рубидия, описанный процесс возникает при столкновении двух атомов находящихся в первом возбужденно состоянии отвечающему терму ЬР^/ъ-При этом дальнейшее возбуждение одного из атомов происходит на уровень bD. Дефект энергии такого процесса составляет — 68cm-1. В этом случае реакция 7 является эндоэргической и приводит к потере кинетической энергии 8,3meV, что соответствует температуре 100 К.

При реализации описанного процесса вблизи поверхности твердого тела возможна релаксация атома в основное связанное с поверхностью состояние, отвечающее одному из энергетических уровней в потенциальной яме ван дер Ваальса. На основании известного сечения реакции <т = (3± 1.5)х10-14 см2 были произведены оценки потока адсорбируемых поверхностью атомов при температуре Т=500 К и интенсивности лазерного излучения 170 мВт/см2. При данных условиях количество актов неупругих столкновений в процессе которых происходит возбуждение на уровень 5D, а, следовательно, и потеря кинетической энергии системой двух атомов равно F = 4,9 х 1017 см-3с-1. Отсюда, поток осаждаемых за счет неупругих столкновений атомов равен N J.colhsion= Fl = 4.9 х Ю10 см-2с-1, где I - величина области потенциала ван дер Ваальса в котором может происходит адсорбция атомов. При таких параметрах на поверхности кристалла YAG возможен рост атомных структур. При этом рост обусловлен адсорбцией атомов в непосредственной близости с ранее адсорбированными атомами поскольку величина диффузии атомов на поверхности кристалла YAG мала. Анализ свободных энергий поверхности кристалла YAG и металлического рубидия покачал, что рост атомных структур происходит в соответствии с механизмом Франка - ван дер Мерве. Характерное расчетное время роста атомных структур в

Рис. 3: Спектральная зависимость эффекта квантовой адсорбции атомов на поверхность кристалла YAG.

описанных условиях составляет величину t = 7300 с.

Экспериментальные исследования квантовой адсорбции основанной на неупругих столкновениях атомов вблизи поверхности твердого тела проводились с использованием сапфировой ячейки с окнами изготовленными из кристалла YAG. В процессе исследований регистрировалось два сигнала: сигнал рассеяния адсорбированных атомов и величина флуоресценции на длине волны 420 нм, который соответствует переходу атомов рубидия 6Р —* 5S (уровень 6Р заселяется в силу переходов 5D —+ 6Р). Рассеяние излучения от атомных структур, создаваемых на поверхности твердого тела детектировалось двумерной ПЗС-матрицей, что давало возможность изучать как величину сигнала рассеяния, так и форму создаваемой структуры. В экспериментах по квантовой адсорбции использовалось промышленные одномодовые лазерные диоды с внешним резонатором. Длина волны излучения которых была настроена в резонанс с D2 линией рубидия (780 нм). Во время экспериментов частота контролировалась по поглощению в реперной ячейке, а также при помощи эталона Фабри-Перо.

В ходе экспериментов было установлено, что при включении силового лазерного излучения на поверхности окна образуется структура состоящая из адсорбированных атомов рубидия. Эта структура

О 5 10 15 20 25 30 Расстояние (мм)

500

О 400 О

§300 г

5 200

1-ый порядок | дифракции >

8

1-ЫЙ порядок дифракции

0-ой порядок дифракции

Рис. 4: Создание атомных микроструктур на поверхности окна ячейки с использованием квантовой адсорбции атомов: а) фотография реализованных полос; б) дифракция зондирующего лазерного излучения на реализованной амплитудной дифракционной решетке.

повторяет форму лазерного пятна. Измерение зависимости сигнала квантовой адсорбции атомов на поверхность от частоты силового лазера проводилось при температуре 215 °С. На графике 3 представлена зависимость сигнала рассеяния структуры из адсорбированных на поверхность окна ячейки атомов в зависимости от частоты силового лазера. Так же на графике представлена спектральная зависимость флуоресценции на длине волны 420 нм и сигнал поглощения паров рубидия при комнатной температуре из реперной ячейки. Совпадение спектральных зависимостей квантовой адсорбции и флуоресценции с высоковозбужденных уровней рубидия показывает связь квантовой адсорбции и неупругих столкновений с переносом энергии.

Эффекта квантовой адсорбции атомов позволяет создавать атомные микроструктуры заданной геометрии на поверхности окна ячейки. Этого можно добиться путем введения желаемой картины в пространственное распределение интенсивности силового лазера. Экспериментально это было реализовано с использованием зеркала Френеля. Таким образом на поверхности окна ячейки создавалась интер-фенционная картина с периодом 20 мкм 4а). Реализованная за счет квантовой адсорбции система полос является амплитудной дифракционной решеткой для падающего зондирующего лазерного излучения. Дифракция зондирующего лазерного излучения наблюдалась экспериментально и представлена на рисунке 46).

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Основные результаты

• Теоретически исследован способ фокусировки атомных пучков двумерной магнито-оптической ловушкой;

• Создан уникальный экспериментальный комплекс по изучению фокусировки атомных пучков атомов рубидия двумерной магнито-оптической ловушкой;

• Продемонстрирована фокусировка атомов рубидия в область с размером порядка 270 мкм;

• Продемонстрирован способ монохроматизации атомного пучка при использовании фокусировки двумерной магнитооптической ловушкой;

• Предложен способ создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела;

• С использованием компьютерного моделирования исследована динамика атомов на поверхности твердого тела;

• Теоретически исследована квантовая адсорбция атомов за счет процесса фотоассоциации атомов рубидия с поверхностью кристалла YAG;

• Предложен способ реализации квантовой адсорбции атомов посредством неупругих столкновений вблизи поверхности твердого тела;

• Впервые экспериментально продемонстрирована квантовая адсорбция атомов рубидия на поверхности кристалла YAG;

• Продемонстрирована возможность создания атомных микроструктур на поверхности подложки за счет квантовой адсорбции атомов с разрешением 20 мкм.

Литература

[1] Nanotechnology. Integrated Processing Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products. Ed. N. Taniguchi et al. - Oxford: Oxford University Press, 406 p (1996).

[2] H. Кобаяси, "Введение в нанотехнологию", ред. JI.H. Патрикеев, Москва Бином. Лаборатория знаний (2005).

[3] J.J. McClelland, "Nanofabrication via Atom Optics", in Handbook of Nanostructured Materials and Technology, Academic Press, Cambridge (1999).

[4] J.E. Bjorkholm, R.R. Freeman, A. Ashkin, and D.B. Pearson, "Observation of Focusing of Neutral Atoms by the Dipole Forces of Resonance-Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett., v. 41, p. 1361 (1978).

[5] J.J. McClelland, R.E. Scholten, E.C. Palm, and R.J. Celotta, "Laser-Focused Atomic Deposition", Science v. 262, p. 877 (1993).

[6] V.I. Balykin., V.V. Klimov, V.S. Letokhov, "Laser near-field lens for atoms", J. Phys. II Prance, v. 4, p. 1981 (1994).

[7] V. I. Balykin, V. V. Klimov, and V. S. Letokhov, "Atom Nanooptics Based on Photon Dots and Photon Holes", JETP Letters, v. 78, p. 8 (2003).

[8] H. Brune, "Microscopic view of epitaxial metal growth: nucleation and aggregation", Surface science reports, v. 31, pp. 121-229 (1998).

[9] V.I. Balykin, V.G. Minogin, V.S. Letokhov, "Electromagnetic trapping of cold atoms", Rep. Prog. Phys., v. 63, p. 1429 (2000).

[10] W.D. Phillips, "Laser cooling and trapping of neutral atoms", Nobel Prize Lecture (1997).

[11] П.Н. Мелентьев, "Лазерное зеемановское охлаждение атомов и их динамика в квадрупольной ловушке", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (2003).

[12] Е. G. Lima, М. Chevrollier, О. Di Lorenzo, Р. С. Segundo, М. Oria, "Long-range atom-surface bound statesPhysical Review A, Volume 62, 013410, (2000).

[13] M. Allegrini, G. Alzetta, A. Kopystynska, L. Moi, and G. Orriols, "Electronic energy transfer induced by collision between two excited sodium atoms", Opt. Commun., v. 19, p. 96 (1976).

Подписано в печать 13.10.2010 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1.25 Тираж 100 экз. Заказ 4971.

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д. 52. Тел. (495) 775-43-35, (4967) 50-21-81 E-mail: trovant@trtk.ru. http://www.trovant.ru/

1 Введение

1.1 Обзор литературы.

1.2 Постановка задачи.

1.3 Содержание диссертации.

2 Динамика атомов вблизи и на поверхности твердого тела при формировании атомных структур

2.1 Сила ван дер Ваальса взаимодействия атома с поверхностью твердого тела

2.2 Физическая адсорбция атома.

2.3 Влияние динами атомов на поверхности твердого тела на формирование атомных структур заданной геометрии.

2.4 Методы характеризации поверхности.

2.5 Выводы.

3 Фокусировка атомного пучка для применения в литографическом процессе

3.1 Динамика атома в поле квазирезонансного излучения.

3.2 Динамика атома рубидия в двумерной магнито-оптической ловушке

3.3 Экспериментальная установка для исследования фокусировки атомного пучка двумерной магнито-оптической ловушкой.

3.3.1 Вакуумная камера.

3.3.2 Атомная пушка

3.3.3 Источники лазерного излучения.

3.3.4 Система регистрации пространственного распределения атомного пучка.

3.4 Исследование фокусировки атомного пучка двумерной магнитооптической ловушкой.

3.5 Использование фокусировки атомного пучка при создании атомных структур на поверхности твердого тела.

3.6 Основные результаты главы.

4 Создание атомных микроструктур при квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением

4.1 Динамика атома Шэ вблизи поверхности твердого тела.

4.2 Ассоциация атомов с поверхностью твердого тела.

4.3 Неупругие столкновения возбужденных атомов с переходом возбуждения на вышележащие уровни.

4.4 Общая схема эксперимента.

4.4.1 Вакуумная ячейка с парами атомов рубидия

4.4.2 Лазерные системы.

4.4.3 Система детектирования.

4.5 Квантовая адсорбция атомов, индуцированная лазерным излучением

4.6 Создание атомных микроструктур па поверхности твердого тела с использованием квантовой адсорбции атомов.

4.7 Основные результаты главы.

В основе современных тенденций повышения пропускной способности каналов связи и увеличения энергоэффективности используемых приборов лежит разработка и использование электронных компонентов меньшего размера. Успех в данной области, в первую очередь, обусловлен бурным развитием кремниевой технологии, что привело к появлению широкого научного и технологического направления как ианотехнология [1, 2, 3].

Развитие микро и нанотехнологий, происходит в трех основных направлениях: разработка новых электронных копонент; управление единичными атомами и молекулами; разработка и изготовление наномашин, т. е. механизмов и роботов размером с молекулу. Наибольшее развитие и применение методы микро и нанотехнологии получили в электронной технике. В частности, уже в 90-х годах XX века были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы.

1.1 Обзор литературы

Процесс изготовления интегральных микросхем включает такие технологические этапы как литография, ионная имплантация, диффузия и окисление, осаждение, травление, очистка, планаризация и измерения. Важнейшие научные и инженерные разработки направлены на усовершенствование литографии, поскольку данный процесс реализуется на пределе существующей технологической базы.

Первым этапом производства микросхемы является создание подложки, материалом для которой служат кремниевые пластины с окисленной поверхностью. Тонкая диэлектрическая поверхностная плёнка БЮг защищает кремний от дальнейшего окисления и служит непроницаемым барьером для большинства примесей. Достоинством системы БьБЮг является возможность селективного травления при использовании химических соединений, действующих только на один из этих двух материалов.

Важным этапом кремниевой технологии является разработка последовательности роста на поверхности кремниевой пластины требуемых объектов. А именно, разработка маски, задающей требуемую морфологию, масштабирование маски до необходимых размеров и перенос ее изображения на кремниевую подложку. После чего производится создание требуемых слоев металлического покрытия, изоляторов и полупроводников в соответствии с маской.

Массовое производство микроэлектронной аппаратуры с элементами достаточно малых размеров стало возможно во второй половине XX века благодаря применению и развитию фотолитографии [4]. Первым шагом фотолитографического процесса является химическая очистка поверхности подложки от следов различных примесей. После очистки на поверхность подложки создается защитный слой 3102- Этот слой должен быть селективно удален с тех участков кремния, куда должны быть введены атомы легирующих примесей, т.е. в слое БЮо необходимо создать окна. Для этого на поверхности окисленной подложки создают тонкую пленку из фоточувствительиого материала (фоторезиста), а затем экспонируют (облучают) её через маску.

Фотолитография обычно включает в себя следующие стадии. 1) нанесение фоторезиста на металл, диэлектрик или полупроводник; 2) сушку фоторезиста при 90-110 °С для улучшения его адгезии к подложке; 3) экспонирование фоторезиста видимым или УФ излучением через маску; 4) проявление скрытого изображения; 5) термическая обработка полученного рельефного покрытия при 100-200 °С для увеличения его стойкости при травлении; 6) травление участков свободной поверхности; 7) очистка поверхности от резиста. Масштаб передачи рисунка маски обычно 1:1, 5:1 и 10:1. При изготовлении интегральных схем процесс повторяют многократно на различных технологических слоях материала, при этом каждый последующий рисунок должен быть совмещен с предыдущим.

Изготовление требуемой маски является одним из основных этапов фотолитографии. Для фотолитографии, как правило, используются фотомаски на основе кварца, покрытого в необходимых местах поглощающим слоем хрома толщиной 80 нм. Процесс создания такой маски аналогичен процессу фотолитографии. Слой хрома нанесенный на кварц покрывают резистом, который экспонируется электронным пучком, который дает более высокое пространственное разрешение, чем обычная фотолитография. Далее неэкспонированная часть резиста вымывается, после чего происходит химическое травление незащищенных участков хрома. После удаления оставшегося резиста производится измерение полученной маски и сопоставление с ожидаемыми величинами. Исследование полученной маски выявляют неточности и дефекты, которые устраняются. После чистки поверхности, которая удаляет мельчайшие частички загрязнений, маска покрывается защитным слоем, который защищает тонкие слои хрома от внешних воздействий и загрязнения [5].

Описанные фотомаски используются при экспонировании фоторезиста светом. В фотолитографии длины волн излучения, используемого при экспонировании, варьируются от дальнего ультрафиолета (10-14 нм) до ближнего ультрафиолета (350-500 нм). При использовании ближнего ультрафиолета в качестве источников излучения применяются излучение ртутной лампы на длине волны 435 нм или 365 нм. Яркость большинства источников более коротковолнового излучения падает по сравнению с ртутной лампой, а использование дополнительных линз уменьшает эффективность системы экспонирования. Однако, с середины 80-х годов в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение с длиной волны 248 нм, получаемое с помощью KrF лазера ("глубокий ультрафиолет"— deep ultra violet (DUV)). Такая технология позволяет применять фотомаски с минимальной шириной элементов порядка 100 нм. В последнее время использование излучения лазера ArF на длине волны 193 нм, с использованием технологии иммерсионной литографии, позволяет создавать структуры с разрешением 50 пм.

Выделяют три типа фотолитографии, основанной на использовании, описанных масок и источниках излучения: 1) контактная фотолитография; 2) проекционная фотолитография; 3) литография с использованием массива микролинз.

Контактная фотолитография широко используется как в индустрии, так и в исследовательских лабораториях. Технология контакной фотолитографии основана на освещении излучением фотомаски приведенной в физический контакт с поверхностью экспонируемого образца. При таком подходе на поверхности создаются структуры с такими же пространственными размерами, которые присутствовали в морфологии маски. Основные трудности, которые возникают при использовании данного метода, связаны с повреждением маски и слоя резиста из-за механического контакта, а так же загрязнение маски.

Проекционная литография позволяет создавать структуры меньшего размера за счет создания уменьшенного изображения фотомаски на поверхности фоторезиста. Как правило используются уменьшение 5:1 и 10:1. Одним из недостатков данного метода литографии является меньагая обрабатываемая площадь 4 х 104 мкм).

Проекционная литография с использованием массива микролинз используется для создания периодического набора структур на поверхности площадью около одного квадратного сантиметра. Каждая линза из набора создает изображение маски уменьшенное в 1000 раз, что позволяет создавать структуры с минимальными размерами порядка 500 нм.

Минимальный размер структур, который может быть получен с использованием методов традиционной фотолитографии, ограничен дифракционными эффектами. В настоящее время, использование традиционных методов литографии позволяет создавать структуры с пространственным разрешением 180 нм. Это почти максимальное разрешение для "глубокого ультрафиолета".

В последние годы интенсивно ведутся работы по изучению возможности применения в литографии жёсткого ультрафиолетового излучения (EUV) с длиной волны около 13,5 нм. Это примерно в 18 раз короче, чем длина волны 248 нм "глубокого ультрафиолета" (DUV), используемая в DUV-литографии. Переход с DUV- на EUV-литографию обеспечивает более чем 10-кратное уменьшение длины волны и переход в диапазон, где она сопоставима с размерами нескольких десятков атомов. Однако, существует ряд ограничений применения данного типа литографии. Одно из которых - высокая стоимость источников излучения дальнего ультрафиолета. Другой особенностью использования более коротковолнового диапазона является поиск подходящих методов создания масок. Поскольку при уменьшении длины волны у металлов есть тенденция к увеличению пропускания, то имеется ограничение при использовании технологии, основанной на пропускающих излучение масках. Выходом в данной ситуации служит использование отражающих масок.

Одной из разновидностей оптических методов литографии является использование рентгеновского излучения в области длин волн 0,5-4,0 нм при экспонировании фоторезиста. Рентгенолитография, как и оптическая литография, осуществляется путем одновременного экспонирования большого числа деталей рисунка, но более коротковолновое рентгеновское излучение позволяет создавать рисунок с более тонкими деталями, с более высоким разрешением [6].

Развитием фотолитографии является метод фазового сдвига, в котором при экспонировании фоторезиста используется ближнее поле излучения. Использование метода фазового сдвига предполагает физический контакт маски с поверхностью резиста. В связи с этим, в изготовление масок происходит из полимерных соединений таких как полидиметилсилоксан, который благодаря своей эластичности не разрушает слой резиста. Используя данную технологию, была продемонстрирована возможность создания структур с размерами ~100 нм на площади более одного сантиметра [7, 8], а также продемонстрированы структуры с размером ~30 нм [9]. Данная технология успешно применяется при создании транзисторов [10].

В настоящее время активно исследуются и широко применяются альтернативные методы литографии:

1. литография пучком заряженных частиц;

2. наноимпринт;

3. самосборка;

4. мягкая литография;

5. напыление через маски.

В методах литографии с помощью заряженных частиц в качестве рабочего инструмента выступает пучок электронов или ионов высоких энергий. Преимущества такого метода перед обычной фотолитографией заключаются в малой длине волны де Бройля для ускоренных частиц, что позволяет избежать ограничений, связанных с эффектами дифракции. Среди этих методов наибольших успехов достигла электронно-лучевая литография.

Как уже отмечалось выше, литография электронным лучом в первую очередь широко используется при создании фотомасок для применений традиционной фотолитографии. Взаимодействие ускоренных электронов (>10 кВ) с резистом вызывает хими-"ческие реакции за счет которых на поверхности образца формируется заданная морфология. Существует два вида электронно-лучевой литографии — сканирующая и проекционная. В случае сканирующей электронно-лучевой литографии резист экспонируется фокусированным потоком электронов, который перемещается в плоскости рисунка производя его последовательное экспонирование. Информация для управления электронным лучом хранится в памяти управляющего компьютера, что позволяет избежать использования масок в процессе литографии. Однако последовательное сканирование всего рисунка приводит к увеличению времени экспонирования. Точность фокусировки электронного луча составляет ~10 нм и определяется кулоновским расталкиванием электронов, что делает электронно-лучевую фотолитографию одной из самых точных [11]. Отсутствие возможности параллельной обработки образца ссужает области применения данной технологии.

В проекционной электронно-лучевой литографии широкий несфокусированный поток электронов можно использовать для получения всего рисунка в течение одной экспозиции. Соответствующая электронная проекционная система описана в [12]. В этой системе фотокатод расположен на поверхности оптической маски с заданным рисунком. Ультрафиолетовые лучи облучают фотокатодный слой через маску, что вызывает эмиссию электронов с фотокатода в облучённых местах рисунка. Эти электроны проецируются на поверхность резиста с помощью однородных электростатических и магнитных полей. В результате на всей площади подложки рисунок создается за одну экспозицию.

Ионно-лучевые методы литографии обеспечивают разрешение до Юнм. и являются развитием концепции создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела с использованием пучков заряженных частиц Для экспонирования полимерных резистов обычно используют легкие ионы — протоны, ионы гелия. Использование более тяжелых ионов дает возможность проводить легирование подложки или создавать на ней тонкие слои новых химических соединений. Различия между электронной и ионной литографией обусловлены большей массой иона по сравнению с массой электрона и тем, что ион является многоэлектронной системой. Потери энергии ионного пучка в полимерных резистах примерно в 100 раз выше, чем потери энергии электронного пучка [6], поэтому чувствительность резистов к ионному пучку тоже выше, что делает процесс экспонирования более быстрым.

Другим способом изменения морфологии поверхности является механическое воздействие высокоэнергитических ионов на поверхность подложки, которое является вариантом сухого анизотропного травления (ионно-лучевое травление) [13]. В отличие от реактивного ионного травления, сочетающего физический и химический механизмы, ионно-лучевое травление определяется только физическим процессом передачи импульса. Этот метод является универсальным и обладает наивысшей среди всех методов травления разрешающей способностью порядка 10 нм. Данное механическое воздействие основано на передачи части кинетической энергии иона атому поверхности. При этом, за счет полученной энергии атом покидает свое положение. При пространственном сканировании вдоль поверхности образца сфокусированным ионным лучом производится создание требуемого рельефа поверхности.

Р1мпринт-литография [14] основана на использовании штампа с рельефом, играющего ту же роль, что и маска в контактной оптической литографии. Штамп изготавливается методом электронной литографии и анизотропного плазмохимического травления. Импринт-литография состоит из двух основных этапов. На первом этапе штамп прижимается к тонкому слою резиста, покрывающего подложку. Поверхность штампа имеет структурированный рельеф, требуемой морфологии. За счет приложенного давления структура рельефа поверхности штампа переносится на резист. Другими словами, на первом этапе импринт-литографии на поверхности подложки создаются вариации в толщине слоя резиста, что позволяет применить на втором этапе литографии анизотропное травление, удаляя остаточный материал резиста из областей, подвергавшихся сжатию [15].Развитием метода импринт-литографии является использование нагрева резиста выше температуры стеклования. При этом термопластичный резист становится вязким и может быть легко деформирован за счет давления приложенного к штампу. С помощью этого метода была продемонстрирована возможность создания рекордных по разрешению и плотности структур. При этом достигнутое разрешение составляет около 6 нм, а расстояние между элементами структуры - 20-30 нм [16, 17|. Главные ограничения метода заключаются в трудностях совмещения штампов для формирования различных слоев структуры.

Альтернативным методом создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела является самосборка. Методы самосборки основаны на самоорганизации за счет фазового разделения смеси полимеров [18], а также на свойствах смачиваемости поверхности [19]. Альтернативный подход к созданию структур на основе самосборки описан в работе [20] использует электрические силы возникающие за счет нестабильности заряда при плавлении полимера. Отличительной особенностью практически всех типов самосборки является получение периодических структур равномерно распределенных по обрабатываемой поверхности. В настоящее время методы самосборки широко применяются в технологических процессах для получения упорядоченных микро и наноструктур [21]. В частности методы самосборки используются при изготовлении чипов памяти [22].

Фотолитография используется в случае когда необходимо разместить как можно большее количество элементов на маленькой площади полупроводникового кристалла. Однако, она не подходит в случае размещения элементов на большой площади, на иных материалах или не на плоских поверхностях. Технология создания структур на любых поверхностях, названа "мягкой литографией "[23]. В основе "мягкой литографии "лежит перенос тонкого слоя наносимого материала на поверхность при контакте с мягким штампом. Этот процесс аналогичен переносу чернил на бумагу при помощи печати. Выделяют пять преимуществ "мягкой литографии": 1) короткое время внедрения новых концепций в производство; 2) низкая себистоимость производства; 3) нанесение широкого спектра материалов (от металлов до биологических организмов) непосредственно на обрабатываемую поверхность; 4) обработка непланарных поверхностей; 5)простота использования.

Использование пространственных масок при напылении [24] является удобным и простым методом создания микроструктур на поверхности твердого тела. В отличии от методов импринт и мягкой литографии, в данном методе маска, задающая морфологию создаваемой структуры, не приводится в физический контакт с поверхностью твердого тела. Это позволяет использовать данную методику при создании структур на хрупких поверхностях.

Другим способом создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела является использование возможностей сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Обычно СЗМ применяется для формирования изображения поверхности без её повреждения. Однако атомно-силовая (АСМ) или сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) могут быть использованы для направленной модификации поверхности. Эта технология известна как нанолитография [25].

Приложив напряжение между подложкой и зондом СТМ большее чем при обычном сканировании можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно перенести на другое место. Помимо этого, прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или же "рассечь"молекулу на части, отделив от нее несколько атомов. В случае атомно-силовых микроскопов возможность формирование нанометровых объектов на поверхности используя механическое царапание поверхности зондом или направленное окисление поверхности [26] при подаче на иглу потенциала. Однако до настоящего времени использование СТМ или АСМ для формирования наноструктур в производственных масштабах довольно трудоёмко и не вполне рентабельно из-за крайне низкой производительности процесса.

Одним из этапов создания микро и наночастиц на поверхности твердого тела является генерация потока осаждаемых частиц и их перенос к подложке. Существует ряд методов создания газовой фазы осаждаемого материала, из которой на поверхности подложки формируется тонкая пленка. В таблице 1.1 представлен перечень разработанных и применяемых в промышленности методов создания газовой фазы осаждаемых атомов и их переноса к подложке [27].

Осаждение тонких пленок методом термического испарения осуществляется путем подведения к веществу энергии за счет которой частицы покидают испаритель и конденсируются на подложке. При ионном распылении атомы осаждаемого вещества выбиваются из мишени при ее бомбордировании высокоэнергетичными ионами рабочего газа. Как правило, в качестве рабочего газа используется аргон. Взрывное распыление получается путем испарения вещества при импульсном воздействии на него лазерного излучения (лазерная абляция), электронного пучка или пропусканием импульса тока. При этом продукты взрыва переносятся к подложке. Осаждение тонких пленок дуговым разрядом происходит за счет эрозии вещества в сильноточных дуговых разрядах. В основе методов ионного осаждения лежат следующие процессы: 1)генерация плазмы исходного вещества и 2) ускорение ионов с последующей конденсацией на подложке. При этом исходное вещество получают одним из методов термического испарения, из газовой смеси или с помощью дугового разряда. Метод химического осаждения тонких пленок осуществляется при напуске в рабочую камеру смеси газов, содержащей компоненты получаемой пленки.

Одним из основных факторов влияющих на формирование микро и наноструктур на

Физические принципы генерации и переноса потока осаждаемых частиц Способы реализации

Осаждение термическим испарением Резестивный ВЧ-нагрев Электронный Электронно-лучевой Лазерный Молекулярно-лучевой

Осаждение ионным распылением Ионно-плазменный Ионно-лучевой

Осаждение взрывом Лазерный Электронно-лучевой Электроразрядный

Осаждение дуговым разрядом С холодным катодом С горячим катодом

Ионное осаждение Термоионный Ионно-плазменный Ионн о- лучевой Плазмотронный

Химическое осаждение Из газовой фазы Плазмохимический

Таблица 1.1: Методы нанесения тонких пленок в вакууме поверхности является управление потоком атомов сталкивающихся с подложкой. Данная задача может быть решена с рютользованием методов лазерного контроля внешних степеней свободы атомов, а именно лазерное управление атомными пучками.

Согласно классической теории Максвелла электромагнитная волна оказывает давление на поверхность отражаясь от нее. Для силы, с которой солнечные лучи в яркий день давят на 1 м2 черной поверхности, Максвелл получил значение 0,4 мГ. В случае наличия резонанса сила светового давления резко возрастает, что позволило в 1933 г. Фришу доказать передачу импульса от фотона свободному атому на основании экспериментов по отклонению пучка атомов натрия резонансным излучением газоразрядной лампы [28].

Лазерное охлаждение и пленение нейтральных атомов сформировалось в самостоятельную физическую дисциплину в начале 80-ых годов XX в. в результате исследований влияния сил светового давления лазерного излучения на поступательное движение атомов. Изобретение лазера дало принципиально новый источник света, обладающий высокой спектральной яркостью, монохроматичностью и высокой направленностью излучения, что привело к стремительному росту интереса к исследованиям в области контроля пространственных степеней свободы атомов. В 1968 году В. С. Летохов показал возможность локализации атомов в квазирезонансной стоячей волне под действием градиентной силы [29]. Првые эксперименты по управлению степенями свободы атомов были произведены в начале 70-х [30] - В 1970 году Ашкином и его коллегами в США были выполнены первые эксперименты по воздействию лазерного излучения на поступательное движение атомов - фокусировка атомов градиентной силой светового давления [31], а в 1972 году были проведены первые эксперименты по отклонению атомных пучков лазерным светом [32].

Одной из задач атомной оптики является фокусировка пучка нейтральных атомов. Данное направление исследований важно для развития альтернативных методов создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела [33, 34]. Фокусировка атомного пучка позволяет локально повысить поток атомов, что является важным условием при создании атомных структур на поверхности твердого тела.

Предложено и продемонстрировано несколько методов фокусировки атомных пучков. В их основе лежит взаимодействие нейтральных атомов с полем квазирезонансного лазерного излучения. Как правило, данное взамодействие проявляется в механическом воздействии на атомы со стороны лазерного излучения, изменяя их траектории.

Одним из первых методов фокусировки основан на взаимодействии атома с одиночным сфокусированным лазерным лучом имеющим гауссово пространственное распределение плотности электромагнитного поля [35, 36]. При такой конфигурации излучения с частотой отстроенной в красную область относительно атомного перехода в центре луча образуется потенциальная яма. Взаимодействие атома, пролетающего вдоль лазерного луча, с излучением приводит к появлению поперечной скорости, направленной внутрь луча, что обеспечивает фокусировку атомного пучка. Другой разновидностью данного метода фокусировки, основанного на действии градиентной силы, является фокусировка пустотелым лазерным лучом с голубой отстройкой излучения. В этом случае атомы выталкиваются в область с меньшей плотностью электромагнитного поля [37].

Метод фокусировки атомного пучка основанный на взаимодействии атома со стоячей волной разработан в работе [38]. В основе такой фокусировки также лежит воздействие на атом градиентной силы со стороны лазерного излучения. Потенциальные ямы, которые обеспечивают фокусировку пролетающего через них атомного пучка, формируются в узлах или пучностях стоячей волны, образуя периодический набор атомных линз. Возможность создания микро и наноструктур периодической формы была продемонстрирована в экспериментах под руководством профессора Маклелланда [39], в которых была реализована система полос из атомов хрома с шириной 65 им. Недостатком такого метода литографии является отсутствие возможности создания атомных микро и наноструктур произвольной формы.

Использование градиентной силы для фокусировки атомных пучков лежит в предложении построения ближнеполевых атомных микролинз [40, 41]. При освещении металлического экрана плоской электромагнитной волной вблизи субволнового отверстия возникает ближнее нанополе, распределение которого зависит от диаметра отверстия. Проведенный анализ показывает, что квадратичная зависимость величины ближнего поля от расстояния до оси отверстия в плоскости экрана позволяет фокусировать атомный пучок, проходящий через отверстие. В зависимости от диаметра отверстия по отношению к длине волны излучения выделяют два вида атомных линз: с диаметром больше длины волны (Френелевский тип) и диаметром меньше длины волны (линза Бете). Сравнительный анализ конфигураций таких линз произведен в работе [42]. Развитием концепции использования ближнего поля вблизи апертуры является построение атомной линзы на базе плоского оптического волновода с наноаппертурой. Преимуществом такой конфигурации является отсутствие взаимодействия атомов с отраженным излучением, которое присутствует при использовании экрана. В зависимости от конфигурации поля в полости волновода вблизи аппертуры образуется распределение ближнего поля либо с максимумом плотности в полости отверстия (фотонная точка), либо с минимумом (фотонное отверстие). Обе конфигурации можно использовать для фокусировки атомного пучка, пролетающего сквозь аппертуру [43]. Использование набора таких линз в одном экране позволяет одновременно напылять большое количество одинаковых наноструктур на подложку.

Описанные выше методы используют в качестве фокусировки атомного пучка механическое воздействие на пространственные степени свободы. Метод использующий волновые свойства атомов для фокусировки был реализован в [44]. Для фокусировки атомного пучка использовалась зонная пластинка Френеля. Такая пластинка пропускает только те компоненты пучка, волны де Бройля которых в плоскости изображения интерферируют конструктивно, остальные зоны перекрыты непрозрачными кольцами. Разрешающая способность такой линзы определяется радиусом внешнего кольца. Использование зонной пластинки Френеля для фокусировки атомов не позволяет достигать высоких плотностей в фокусе поскольку часть атомов теряется на самой пластине.

Представленные работы показывают, что с использованием методов атомной оптики возможно осуществить острую фокусировку атомного пучка вплоть до ангстремных размеров [40]. Данное обстоятельство делает подходы атомной оптики интересными для использования в технологиях создания микро и наноструктур на поверхности твердого тела.

Выделяют два подхода к созданию структур на поверхности: "сверху-вниз"и "снизу-вверх" [45]. Подход "сверху-вниз"основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения микро и нанообъектов. Описанные методы фотолитографии относятся к такому подходу поскольку используют, в частности, методы химического травления.Идея технологии "снизу-вверх"заключается в том, что сборка создаваемого объекта осуществляется непосредственно из его структурных элементов (атомов, молекул, фрагментов биологических клеток и т. п.), располагаемых в требуемом порядке. Этот подход можно считать обратным по отношению к привычному методу миниатюризации "сверху-вниз", в котором происходит постепенное уменьшение деталей. К подходу "снизу-вверх"относятся методы самосборки. Данный подход считается наиболее перспективным для построения структур с атомарной точностью, поскольку в нем подразумеваются операции с отдельными структурными элементами. Разработка подходов литографии с использованием методов атомной оптики открывает новые возможности за счет пространственного контроля одиночных атомов и молекул.

1.2 Постановка задачи

Целью данной работы являлся исследование и разработка альтернативных методов создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием элементов атомной оптики. Данное направление работы обусловлено широким развитием и применением методов атомной оптики. Развитие представлений о механизмах управления отдельными атомами показали возможность построения атомных микро и наноструктур по направлению "снизу вверх". Поиск возможных применений атомной оптики для создания структур на поверхности твердого тела оправдан и заслуживает отдельного рассмотрения.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4-х научных статьях журналов, входящих в перечень ВАК.

• П.Н. Мелентьев, П.А. Борисов, С.Н. Руднев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин, "Фокусировка атомного пучка двумерной магнито-оптической ловушкой", Письма в ЖЭТФ, т. 83, с. 16-20 (2006).

• А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом", Письма в ЖЭТФ, т. 86, с. 198-203 (2007).

• А.Е. Афанасьев, П.Н. Мелентьев, В.И. Балыкин, "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов", Известия Российской академии наук, серия физическая, т. 72, с. 701-706 (2008).

• А. Е. Afanasiev, Р. N. Melentiev, and V. I. Balykin, "Atom Surface Trap Based on Laser-Induced Quantum Adsorption", Proc. SPIE, V. 7024, p. 702402 (2008).

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах Института Спектроскопии, на научном семинаре Университета электро-коммуникаций (Япония), а также на Российских и международных научных конференциях:

• Симпозиум по передовым приложениям лазеров - "Atom beam focusing by 2D MOT", Берлин, Дрезден, Германия, 21 - 26 мая (2005).

• 49-я научная конференция МФТИ - "Квантовая адсорбция атомов на поверхность, индуцированная лазерным светом "(2006).

• 50-я научная конференция МФТИ - "Атомная поверхностная ловушка на основе квантовой адсорбции атомов "(2007).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур па поверхности на основе квантовой адсорбция атомов, индуцированной лазерным излучением", XII Международный Симпозиум по Нанофизике и Наноэлектрони-ке, Н. Новгород, 10 - 14 марта (2008).

• А.Е. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface trap based on energy pooling collisions", German-Russian Lasersymposium, 12-18 April,Luebeck, Rostock and Hamburg, (2008).

• A.E. Afanasiev, P.N. Melentiev, V.I. Balykin - "Atom surface Trap", International Symposium on Physics of Cold Trapped Atoms, Trondheim, Norway, June 30 - July 04 (2008).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, В.И. Балыкин - "Метод создания наноструктур на поверхности на основе квантовой адсорбции атомов, индуцированной лазерным излучением", Российское совещание по актуальным проблемам полупроводниковой фотоэлектроники "Фотоника- 2008", Новосибирск, август, Россия (2008).

• А.Е. Afanasiev, P.N. Melenticv, V.I. Balykin - "Control of laser adsorption by laser light", The fifth international symposium Modem Problems of Laser Physics, Новосибирск, 24-30 августа, (2008).

• П.Н. Мелентьев, А.Е. Афанасьев, Д.А. Лапшин, В.И. Балыкин, А.В. Заблоцкий, А.А. Кузин, А.С. Батурин, Ю. Агафонов, А.Ф. Вяткип, В.А. Скуратов, П.Ю. Апель - "Атомная Нанолитография", школа молодых ученых "Современные проблемы лазерной физики"(2009).

Автор выражает благодарность всему коллективу отдела лазерной спектроскопии ИСАН. Особая благодарность Балыкину В.И. за предоставленную возможность работать и обучаться в ведущей лаборатории России; Мелентьеву П.Н. за помощь в проведении экспериментов, а так же Рудневу С.Н., Борисову П.А. и Лапшину Д.А.

Заключение

В диссертационной работе произведен анализ альтернативных методов создания атомных микроструктур на поверхности твердого тела с использованием элементов атомной оптики. Данное направление работы обусловлено широким применением методов атомной оптики в прецизионных измерениях. Развитие представлений о механизмах управления отдельными атомами показали возможность построения атомных микро и наноструктур с применением подхода "снизу-вверх". Выполненная работа находится в соответствии с последними тенденциями применения атомной оптики для создания структур на поверхности твердого тела [119], которые активно разрабатываются ведущими лабораториями.

В качестве методов атомной литографии в диссертациаонпой работе были рассмотрены и экспериментально реализованы следующие следующие схемы:

• Фокусировка атомного пучка с использованием 2Б МОЛ;

• Квантовая адсорбция атомов на поверхности твердого тела.

Положения защищаемые в диссертации.

• Предложена и экспериментально реализована фокусировка атомного пучка в микронный диапазон с использованием 2Б МОЛ;

• Предложен метод литографии микроструктур на поверхности твердого тела с использованием атомной фокусировки 2Б МОЛ;

• Экспериментально реализована квантовая адсорбция атомов на поверхности твердого тела с использованием неупругих столкновений атомов в присутствии ква-зирезопансного лазерного излучения;

• Предложен и реализован способ создания микроструктур на поверхности твердого тела с использованием квантовой адсорбции атомов.

Публикации по результатам диссертационной работы

1. N. Taniguchi, "On the basic concept of nanotechnology ", Proc. 1.t. Conf. Prog. Eng. Part II. Tokyo: Jap. Soc. Pres. Eng., 2 (1974).

2. N. Taniguchi, "Future trends of nanotechnology ", Intern. J. Japan. Soc. Precision Engineering. V.26, №1, pp. 1-7 (1992).

3. Nanotechnology. Integrated Processing Systems for Ultra-Precision and Ultra-Fine Products. Ed. N. Taniguchi et al. Oxford: Oxford University Press, 406 p (1996).

4. M.J. Madou, "Fundamentals of micro fabrication", éd., CRC Press: Boca Raton (1997).5. http://www.pkl.co.kr/english/product/product05.html

5. K.A. Валиев, "Физика субмикронной литографии", M.: Наука-Физматлит, 528 с. (1990).

6. J.A. Rogers, К.Е. Paul, R.J. Jackman and G.M. Whitesides, "Using an elastomeric phase mask for sub-100 nm photolithography in the optical near field", Appl. Phys. Lett., v. 70, p. 2658 (1997).

7. J.A. Rogers, K.E. Paul, R.J. Jackman and G.M. Whitesides, "Generating 90 nanometer features using near-field contact-mode photolithography with an elastomeric phase mask", J. Vac. Sci. Technol. B, v. 16, pp. 59-68 (1998).

8. T.W. Odom, V.R. Thalladi, J.C. Love and G.M. Whitesides, "Generation of 30-50 nm structures using easily fabricated, composite PDMS masks", J. Am. Chem. Soc., v. 124, p. 12112 (2002).

9. J. Ни, T. Deng, R.G. Beck, et al., "Fabrication of GaAs/AlGaAs high electron mobility transistors with 250 nm gates using conformai phase shift lithography", Sens. Actuators A, v. 86, pp. 122-26 (2000).

10. M.A. McCord, M.J. Rooks, Chapter 2. "SPIE Handbook of Microlithography, Micromachining and .Microfabrication. Volume 1: Microlithography" ed. P. Rai-Choudhury, SPIE Press Monograph Vol. PM39(2000).

11. J.P. Scott, "Recent progress on the electron image projector", J. Vac. Sci. Technol, v.5, №3, pp. 1016-1021 (1978).13. "Плазменная технология в производстве СБИС" Под ред. Н. Айнспрука и Д. Брауна. М.: Мир,470 с. (1987).

12. S.Y. Chou, P.P. Krauss, Р. Renstrom, "Inprint lithography with 25-nanometer resolution", Science, v. 272, №5258, pp. 85-87 (1996).

13. F. Carcenac, C. Vieu, A. Lebib et al. "Fabrication of high density nanostructures gratings (>500 Gbit/in2) used as molds for nanoimprint lithography", Microelectronic Engineering, v. 53. pp. 163-166 (2000).

14. J.D. Gunton, M. San Miguel, and P. Sahni, in Phase Transition and Critical Phenomena, ed. Domb Lebowitx ,Academic, London, v. 8, pp. 267-466 (1983).

15. G. Krausch, Surface induced self assembly in thin polymer films, Mater. Sei. Eng. R., v. 14, p. 1 (1995).

16. S.Y. Chou, L. Zhuang, "Lithographically induced self-assembly of periodic polymer micropillar arrays", J. Vac. Sei. Technol. В., v. 17, pp. 3197-3202 (1999).

17. M. Park, C. Harrison, P.M. Chaikin, R.A. Register and D.H. Adamson, "Block copolymer lithography: Periodic arrays of 1011 holes in 1 square centimeter", Science, v. 276 p.1401 (1997).

18. K. Guarini, C. Black, Y. Zhang, I. Babich, E. Sikorski and L. Gignac, "Low voltage, scalable nanocrystal FLASH memories fabricated by templated self-assembly", presented at the IEDM Meeting, Washington DC (December 8, 2003).

19. Y. Xia and G.M. Whitesides, "Soft lithography", Annu. Rev. Mater. Sei., v. 28, pp. 153-84 (1998).

20. J. Brugger, J.W. Berenschot, S. Kuiper, W. Nijdam, B. Otter and M. Ehvenspoek, "Resistless patterning of sub-micron structures by evaporation through nanostencils", Microelectron. Eng., v. 53, pp. 403-405 (2000).

21. H.T. Soh, K.W. Guarini, C.F. Quate, "Scanning Probe Lithography", Kluwer Academic Publishers,- 224 p. (2001).

22. R.J.M. Vullers, M. Ahlskog, C. van Haesendonck, "Titanium nanostruc-tures made by local oxidation with the atomic force microscope", Appl. Surf. Sei., v. 144-145. pp. 584588 (1999).

23. Ю. Панфилов, "Нанесение тонких пленок в вакууме", Технологии в электронной промышленности, №3 (2007).

24. R. Frisch, "Experimenteller Nachweis des Einsteinschen Strahlüngsrucksto(3es", v. 86, p. 42 (1933).

25. V.S. Letokhov and V.G. Minogin, "Trapping and storage of atoms in a laser field", Appl. Phys. A, v. 17, p. 99 (1978).

26. A. Ashkin, "Atomic-Beam Deflection by Resonance-Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett., v.25, p.1321 (1970).

27. A. Ashkin, "Acceleration and Trapping of Particles by Radiation Pressure", Phys. Rev. Lett., 24, p.156 (1970).

28. R. Schieder, H. Walther, L. Woste, "Atomic beam deflection by the light of a tunable dye laser", Opt. Commun. 5 337 (1972).

29. D. Meschede and J. Mlynek, eds. Special Issue on " Nanomanipulation of Atoms", Appl. Phys. B, v. 70, N. 5 (2000).

30. J.J. McClelland, "Nanofabrication via Atom Optics", in Handbook of Nanostructured Materials and Technology, Academic Press, Cambridge (1999).

31. J.E. Bjorkholm, R.R. Freeman, A. Ashkin, and D.B. Pearson, "Observation of Focusing of Neutral Atoms by the Dipole Forces of Resonance-Radiation Pressure ", Phys. Rev. Lett., v. 41, p. 1361 (1978).

32. J.E. Bjorkholm, R.R. Freeman, A. Ashkin, and D.B. Pearson, "Experimental observation of the influence of the quantum fluctuations of resonance-radiation pressure", Opt. Lett., v. 5, p. Ill (1980).

33. V.I. Balykin, V.S. Letokhov, "The possibility of deep laser focusing of an atom beam into the A region", Opt. Commun., v.64, pp.151-156 (1987).

34. T. Sleator, T. Pfau, V. Balykin, et al., "Imaging and focusing of an atomic-beam with a large period standing light-wave", Appl. Phys. B, v. 54, p.375 (1992).

35. J.J. McClelland, R.E. Scholten, E.C. Palm, and R.J. Celotta, "Laser-Focused Atomic Deposition", Science v. 262, p. 877 (1993).

36. V.I. Balykin., V.V. Klirnov, V.S. Letokhov, "Laser near-field lens for atoms", J. Phys. II France, v. 4, p. 1981 (1994).

37. V.I. Balykin, V.S. Letokhov, and V.V. Klimov, "Tight focusing of an atomic-beam by the near-field of diffracted laser-light", JETP Lett, v. 59, p. 896 (1994).

38. V. I. Balykin and V. G. Minogin, "Focusing of atomic beams by near-field, atom microlenses: The Bethe-type and the Fresnel-type microlenses", Phys. Rev. A, v. 77, p. 013601 (2008).

39. H. Кобаяси, "Введение в нанотехнологию", ред. Л.Н. Патрикеев, Москва Бином. Лаборатория знаний (2005).

40. H.B.G. Casimir, "On the attraction between two perfectly conducting plates", Proc. Kon. Ned. Akad. Wetenshap 60, 793-795, 1948.

41. F. London, "Theory and systematics of molecular forces", Zeitschrift fur Physik, v. 63, pp. 245-279 (1930).

42. J.E. Lennard-Jones, "Processes of adsorption and diffusion on solid surfaces", Trans. Faraday Soc., v. 28, p. 333 (1932).

43. J. D. Jackson, "Classical electrodynamics", New York (1998).

44. I. E. Dzyaloshinskii, E. M. Lifshitz, and L. Pitaevskii, "The general theory of van der Waals forces", Adv. Phys., v. 10, p. 165 (1961).

45. I.E. Dzyaloshinskii, E.M. Lifshitz, L.P. Pitaevskii, "General theory of van der waals' forces", Sov. Phys. Usp., v. 4, pp. 153-176 (1961).

46. H.B.G. Casimir, D. Polder, "The influence of retardation on the London-van der Waals forces", Phys. Rev., v. 73, pp. 360-372 (1948).

47. C.I. Sukenik, M. G. Boshier, D. Cho, V. Sandoghdar, E. A. Hinds, "Measurement of the Casimir-Polder Force", Phys. Rev. Lett., v. 70, pp. 560-563 (1993).

48. E.A. Hinds, V. Sandoghdar, "Cavity QED level shifts of simple atoms", Phys. Rev. A, v. 43, pp. 398-403 (1991).

49. D.Walton, "Nucleation of Vapor Deposits", J. Chem. Phys., v. 37, p. 2182 (1962).

50. Н. Bruñe, "Microscopic view of epitaxial metal growth: nucleation and aggregation", Surface science reports, v. 31, pp. 121-229 (1998).

51. C.E. Allen, E.G. Seebauer, "Surface diffusion on semiconductors",ed. D.L. Веке. SpringerMaterials The Landolt-Bornstein Database (http://www.springermaterials.com)

52. J. Cognard, "Adhesion to Gold: A Review", Gold Bull., v. 17, p. 131 (1984).

53. Pablo Jensen, Hernán Larralde, Alberto Pimpinelli, "Effect of monomer evaporation on a simple model of submonolayer growth ", Physical Review B, v. 55, p. 4 (1997).

54. D. Shindo, K. Hiraga, "High-Resolution Electron Microscopy for Materials Science". -Tokyo: Springer (1998).

55. G. Binning, H. Rohrer, Ch. Gerber , E. Weibel, "Surface studies by scanning tunneling microscopy", Phys. Rev. Lett., v. 49, pp. 57-61 (1982).

56. C. Julian Chen, "Introduction to Scanning Tunneling Microscopy", Oxford University Press (1993).

57. C. Binning, C.F. Quate, H. Gerber, "Atomic force microscope", Phys. Rev. Lett., v. 56, pp. 930-933 (1986).

58. Weisendanger R. Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications. Cambridge: Cambridge University Press, 1994. - 659 p. 31.

59. J. Goldstein ., D.E. Newbury, D.C. Joy et al., "Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis". Third edition. Kluwer Academic Publishers, 586 p. (2003).

60. Л.Д. Ландау, E.M. Лифшиц, "Электродинамика сплошных сред", гос. из-во технико-теоретической лит, Москва (1957).

61. V.G. Minogin and V.S. Letokhov, "Laser Light Pressure on Atoms", New York: Gordon and Breach (1987).73| В.И. Балыкин, B.C. Летохов, В.Г. Миногин, " Охлао/сдение атомов давлением лазерного излучения", УФН, т. 147, с. 117 (1985).

62. V.I. Balykin, V.G. Minogin, V.S. Letokhov, "Electromagnetic trapping of cold atoms", Rep. Prog. Phys., v. 63, p. 1429 (2000).

63. W.D. Phillips, "Laser cooling and trapping of neutral atoms", Nobel Prize Lecture1997).

64. P.N. Melentiev, P.A. Borisov, V.I. Balykin, "Zeeman Laser Cooling of Rb Atoms in Transverse Magnetic Field", JETP, v. 98, p. 667 (2004).

65. Daniel A. Steck, "Rubidium 85 D Line Data", available online at http://steck.us/alkalidata (revision 0.2.1, 30 April 2009)

66. П.Н. Мелентьев, "Лазерное зеемановское охлаждение атомов и их динамика а квадруполъной ловушке", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук (2003).

67. Е. Arimondo, M. Inguscio and P. Violino, "Experimental determinations of the hyperfine structure in the alkali atoms", Review of Modern Physics, v. 49, p. 31 (1977).

68. V.I. Balykin and V.G. Minogin, "Magnetooptical compression of atomic beam", JETP, v. 96, p. 8 (2003).

69. R. Golub and J. M. Pendlebury, "Ultra-cold neutrons", Rep. Prog. Phys. 42, 439 (1979).

70. V.I. Balykin, "Pulsed magneto-optical compression of cold atoms", JETP Lett., v. 66, p. 349 (1997).

71. V.I. Balykin, V.S. Letokhov, V.G. Minogin and T.V. Zueva, "Collimation of atomic beams by resonant laser radiation pressure", Appl.Phys. B, v.35, pp. 149-153 (1984).

72. P.N. Melentiev, P.A. Borisov, S.N. Rudnev and V.I. Balykin, "High flux, high intensity source of slow 85Rb atoms for atom optics", Proc. SPIE v. 6256, p. 62560N (2006).

73. R.D. Swenumson, U. Even, "Continuous flow reflux oven as the source of an effusive molecucular Cs beam", Rev. Sci. Instrument, v. 52, p. 559 (1981).

74. K.L. Corwin, Z.T. Lu, С.F. Hand, R.J. Epstein and C.E. Wieman, "Frequency-stabilized diode laser with the Zeeman shift in an atomic vpor", Appl. Optics, v. 37, pp. 3295-32981998).

75. M.J. Snadden, J.M. McGuirk, P. Bouyer, K.G. Haritos and M.A. Kasevich, "Measurement of the Earth's Gravity Gradient with an Atom Interferometer-Based Gravity Gradiometer", Phys. Rev. Lett., v. 81, pp. 971-974 (1998).

76. C.J. Myatt, N.R. Newbury and C.E. Wieman, "Simplyfied atom trap by using direct microwave modulation of a diode laser", Opt. Lett., v. 18, pp. 649-651, (1993).

77. S. Kobayashi, Y. Yamamoto, M. Ito, T. Kimura, "Direct frequency modulation in AlGaAs semiconductor laser", IEEE J. Quantum Electron, v. 18, p. 582 (1982).

78. T.-C. Yen, J.-W. Chang, J.-M. Lin, R.-J. Chen, "High-frequency optical signal generation in a semiconductor laser by incoherent optical feedback", Opt. Comm., v. 150, pp. 158-162 (1998).

79. R Melentiev, M. Subbotin, V. Balykin, "Simple and effective modulation of diode lasers", Laser Physics, v. 11, p. 891 (2001).

80. B. Mroziewich, M. Bugajski, W. Nakwaski, "Physics of Semiconductor Lasers", Amsterdam-Oxford-New York-Tokyo (1991).

81. M. Ohtsu, T. Tako, "Coherence in semiconductor lasers", Progress in optics XXV, Elsevier science, p. 192-278, (1988).

82. S. Kobayashi and T. Kimura, "Injection locking in AlGaAs semiconductor laser", IEEE J. Quantum Electron., v. 17, p. 681 (1981).

83. X. Wang, X. Chen, J. Hon, et al., "Side-mode injection locking characteristics of 150 mW AlGaAs semiconductor lasers", Opt. Commun., v. 178, p. 165 (2000).

84. J. Ringot, Y. Lecoa, J.C. Garreau, and P. Szriftgizer, "Generation of phase-coherent laser beams for Raman spectroscopy and cooling by direct current modulation of a diode laser", Eur. Phys. J. D, v. 7, p. 285 (1999).

85. P. N. Melentiev, P. A. Borisov, and V. I. Balykin, "High-Power Two-Frequency Laser Source Based on a Semiconductor Laser for Atom Optics", Laser Physics, v. 15, pp. 1617-1622, (2005).

86. H. Hoinkes, "The physical interaction potential of gas atoms with single-crystal surfaces, determined from gas-surface diffraction experiments", Rev. Mod. Phys., v. 52, p. 933 (1980).

87. M. Stephens, R. Rhodes, C. Wieman, "Study of wall coatings for vapor?cell laser traps", J. Appl. Phys., v. 76, p. 3479, (1994).

88. F.I. Hughes, "Mean Adsorption Lifetime of Rb on Etched Tungsten Single Crystals: Neutrals", Phys. Rev., v.113, p.1036 (1959).

89. R. Storch, H. Stolz, H.W. Wassmuth: Ann. Phys. Leipzig 1, p. 315 (1992).

90. A. Golubovi', S. Nikoli', R. Gaji', S. Duri'and A. ValT, "The growth of Nd: YAG single crystals", J.Serb.Chem.Soc., v. 67, pp. 291-300 (2002).

91. O.P. Makarova and A.N. Solov'ev, "Experimental Investigation of the surface tension of rubidium and cesium", Zhumat Prikladnoi Mekhaniki i Tekhnicheskoi Fiziki, v. 7, pp. 175-176 (1966).

92. Chen C. Hsu and H. Eyring, "Significant Structure Theory of Surface Tension of the Alkali Metals", Proc. Nat. Acad. Sci. USA, v. 69, pp. 1125-1127 (1972).

93. Е. G. Lima, M. Chevrollier, О. Di Lorenzo, P. С. Segundo, M. Oria, "Long-range atom-surface bound states", Physical Review A, v. 62, p. 013410 (2000).

94. Fam Le Kien, S. Dutta Gupta, К. Hakuta, "Phonon-mediated decay of an atom in a surface-induced potential", Phys. Rev. A, v. 75, p. 062904 (2007).

95. R.K. Namiotka, J. Huennekens, M. Allegrini, "Energy-pooling collisions in potassium: APj + 4Pj 45 + (nl = 5P, 65, 4D) ", Phys. Rev. A, v. 56, p. 514 (1996).

96. L. Barbier and M. Chéret, "Energy pooling process in rubidium vapour", J. Phys. B: At. Mol. Phys., v. 16, pp. 3213-3228 (1983).

97. Shen Yi-Fan, et al., "Energy-Pooling Collisions in Rubidium: 5P3/2 + 5P3/2 —> 55 + (nl = 5D, 75) ", Chin.Phys.Lett., V. 22, p. 2805 (2005).

98. D. Sarkisyan, U. Hinze, L. Meyer, B. Wellegehausen, "Efficient cw sodium dimer raman laser operation in a high-temperature sapphire cell", Appl. Phys. В 70, 3, 351, 2000.

99. Karine Le Bris, et al., "Characterization of retro fluorescence inhibition at the interface between glass and optically thick Cs vapour", J. Opt. Soc. Am. В, V. 18, pp. 1701-1710 (2001).

100. V.l. Balykin and P.N. Melentiev, "Nanolithography with Atom Optics",

101. Nanotechnologies in Russia, V. 4, pp. 425-447 (2009). ^J