Naukowcy opracowali nowatorską technikę nanoprodukcji krzemu, która umożliwia tworzenie ukrytych nanostruktur o rozmiarach cząstek sięgających 100 nm. Wykorzystując przestrzennie modulowane impulsy laserowe, osiągnęli niespotykaną dotąd kontrolę i precyzję w tworzeniu elementów nanofotonicznych, oferując znaczny potencjał postępu w elektronice i fotonice. (Koncepcja artysty.) Źródło: SciTechDaily.com
Nowa metoda umożliwia precyzyjną nanofabrykację wewnątrz krzemu przy użyciu przestrzennej modulacji światła i impulsów laserowych, tworząc zaawansowane nanostruktury do potencjalnego zastosowania w elektronice i fotonice.
Krzem, kamień węgielny współczesnej elektroniki, fotowoltaiki i fotoniki, tradycyjnie ograniczał się do nanoprodukcji na poziomie powierzchni ze względu na wyzwania, jakie stwarzają istniejące techniki litograficzne. Dostępne metody albo nie penetrują powierzchni płytki bez powodowania zmian, albo są ograniczone rozdzielczością litografii laserowej w skali mikronowej w Si.
W duchu słynnego powiedzenia Richarda Feynmana: „Na dole jest mnóstwo miejsca”, ten przełom wpisuje się w wizję badania i manipulowania materią na dnie. nanoskala. Innowacyjna technika opracowana przez zespół Bilkent przekracza obecne ograniczenia, umożliwiając kontrolowane wytwarzanie nanostruktur ukrytych głęboko w płytkach krzemowych z niespotykaną dotąd kontrolą.
Przełom w produkcji w nanoskali
Zespół podjął podwójne wyzwanie, jakim były złożone efekty optyczne w płytce i nieodłączna granica dyfrakcji światła laserowego. Pokonują je, stosując specjalny rodzaj impulsu laserowego, wytwarzany w drodze podejścia zwanego przestrzenną modulacją światła. Niedyfrakcyjny charakter wiązki przezwycięża efekty rozpraszania optycznego, które wcześniej utrudniały precyzyjne osadzanie energii, tworząc wyjątkowo małe, zlokalizowane puste przestrzenie wewnątrz płytki. Po tym procesie następuje efekt zasiewu, podczas którego wstępnie uformowane podpowierzchniowe nanopustki tworzą silne wzmocnienie pola wokół swojego bezpośredniego sąsiedztwa. Ten nowy sposób wytwarzania oznacza postęp o rząd wielkości w stosunku do najnowocześniejszych rozwiązań, umożliwiając osiągnięcie rozmiarów elementów do 100 nm.
Zaawansowane techniki laserowe w nanolitografii
„Nasze podejście opiera się na lokalizacji energii impulsu laserowego w materiale półprzewodnikowym w niezwykle małej objętości, tak aby można było wykorzystać pojawiające się efekty wzmocnienia pola, analogiczne do tych w plazmonice. Prowadzi to do kontroli podfalowej i wielowymiarowej bezpośrednio wewnątrz materiału” – wyjaśnił prof. Tokel. „Możemy teraz wytwarzać elementy nanofotoniczne zakopane w krzemie, takie jak nanosiatki o wysokiej wydajności dyfrakcyjnej, a nawet kontroli widmowej”.
Ulepszanie nanofabrykacji poprzez polaryzację lasera
Naukowcy wykorzystali modulowane przestrzennie impulsy laserowe, technicznie odpowiadające funkcji Bessela. Niedyfrakcyjny charakter tej specjalnej wiązki laserowej, tworzonej przy użyciu zaawansowanych technik projekcji holograficznej, umożliwia precyzyjną lokalizację energii. To z kolei prowadzi do wysokich wartości temperatury i ciśnienia wystarczających do modyfikacji materiału przy małej objętości. Co ciekawe, powstałe w ten sposób wzmocnienie pola, po ustaleniu, utrzymuje się poprzez mechanizm typu wysiewu. Mówiąc najprościej, tworzenie wcześniejszych nanostruktur pomaga w wytwarzaniu późniejszych nanostruktur. Zastosowanie polaryzacji laserowej zapewnia dodatkową kontrolę nad wyrównaniem i symetrią nanostruktur, umożliwiając tworzenie różnorodnych nanoukładów z dużą precyzją.
„Wykorzystując mechanizm anizotropowego sprzężenia zwrotnego występujący w układzie interakcji laser-materiał, uzyskaliśmy nanolitografię w krzemie o kontrolowanej polaryzacji” – powiedział dr Asgari Sabet, pierwszy autor badania. „Ta zdolność pozwala nam kierować wyrównaniem i symetrią nanostruktur w nanoskali”.
Przyszłe implikacje i zastosowania
Zespół badawczy zademonstrował wielkopowierzchniową nanostrukturę wolumetryczną z cechami wykraczającymi poza granice dyfrakcji, umożliwiając weryfikację koncepcji zakopanych elementów nanofotonicznych. Postępy te mają znaczące implikacje dla opracowywania systemów w skali nano o unikalnej architekturze. „Wierzymy, że pojawiająca się swoboda projektowania prawdopodobnie najważniejszego materiału technologicznego znajdzie ekscytujące zastosowania w elektronice i fotonice” – powiedział Tokel. „Funkcje wykraczające poza granice dyfrakcji i wielowymiarowa kontrola oznaczają przyszłe postępy, takie jak metapowierzchnie, metamateriałykryształy fotoniczne, liczne zastosowania do przetwarzania informacji, a nawet zintegrowane systemy elektroniczno-fotoniczne 3D.”
Uwagi końcowe na temat innowacji w zakresie produkcji w skali nano
„Nasze odkrycia wprowadzają nowy paradygmat wytwarzania krzemu” – podsumował profesor Tokel. „Możliwość wytwarzania w skali nano bezpośrednio wewnątrz krzemu otwiera nowy reżim w kierunku dalszej integracji i zaawansowanej fotoniki. Możemy teraz zacząć zadawać sobie pytanie, czy możliwa jest pełna trójwymiarowa nanoprodukcja w krzemie. Nasze badanie jest pierwszym krokiem w tym kierunku.”
Odniesienie: „Nanofabrykacja laserowa wewnątrz krzemu z przestrzenną modulacją wiązki i zasiewem anizotropowym” 16 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49303-z
Zespół badawczy składa się z Rany Asgari Sabet, Aqiqa Ishraqa, Alperena Saltika, Mehmeta Bütün i Onura Tokela, wszyscy są powiązani z Wydziałem Fizyki i Narodowym Centrum Badań Nanotechnologii na Uniwersytecie Bilkent. Ich wiedza specjalistyczna obejmuje różne dziedziny, w tym optykę, inżynierię materiałową i nanotechnologię.
Finansowanie: Niniejsze badanie jest wspierane przez Radę ds. Badań Naukowych i Technologicznych w Türkiye (TUBITAK) oraz Turecką Akademię Nauk.
