現(xiàn)代計算機芯片可以構(gòu)建納米級結(jié)構(gòu)。到目前為止，只能在硅晶片頂部形成這種微小結(jié)構(gòu)，但現(xiàn)在一種新技術(shù)可以在表面下的一層中創(chuàng)建納米級結(jié)構(gòu)。該方法的發(fā)明者表示，它在光子學和電子學領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景，有朝一日，人們可以在整個硅片上制造3D 結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)依賴于硅對某些波長的光透明這一事實。這意味著合適的激光可以穿過晶圓表面并與下面的硅相互作用。但設(shè)計一種既可以穿過表面又不會造成損壞、還能在下面進行精確納米級制造的激光并不簡單。
土耳其安卡拉比爾肯特大學的研究人員通過使用空間光調(diào)制來創(chuàng)建針狀激光束，從而更好地控制光束能量的分布位置，從而實現(xiàn)了這一目標。通過利用激光和硅之間的物理相互作用，他們能夠制造具有不同光學特性的線和平面，這些線和平面可以組合起來在表面下創(chuàng)建納米光子元件。
使用激光在硅片內(nèi)部進行制造并非新鮮事。但領(lǐng)導這項研究的比爾肯特大學物理學助理教授onur Tokel解釋說，到目前為止，只能制造出微米級結(jié)構(gòu)。他說，將這種方法擴展到納米級可以釋放新的能力，因為它可以制造出與入射光波長大小相當?shù)奶卣鳌．斶@種情況發(fā)生時，這些結(jié)構(gòu)會表現(xiàn)出一系列新穎的光學行為，除其他外，這使得制造超材料和超表面成為可能。
“硅是電子、光子學和光伏技術(shù)的基石， Tokel說。“如果我們能在納米級晶圓內(nèi)部引入額外的功能，以補充這些現(xiàn)有的功能，這將帶來一個完全不同的范例。現(xiàn)在你可以想象在體積內(nèi)做事，甚至可能最終在三維空間中做事。我們相信這將開辟令人興奮的新方向。”
以前的技術(shù)無法在納米尺度上制造，因為激光一旦進入硅內(nèi)部就會散射，很難精確地沉積能量。在《自然通訊》雜志發(fā)表的一篇論文中，托克爾的團隊展示了他們可以通過使用一種稱為貝塞爾光束的特殊激光來解決這個問題，這種激光不會發(fā)生衍射。這意味著激光可以對抗光散射效應(yīng)，在硅內(nèi)部保持狹窄的聚焦，從而可以精確地沉積能量。
當激光照射到晶圓上時，會在光束聚焦的區(qū)域產(chǎn)生微小的孔洞，即空隙。Tokel說，以前的方法也出現(xiàn)過這種情況，但聚焦更緊密的光束產(chǎn)生的較小空隙會表現(xiàn)出“場增強”效應(yīng)，導致激光強度在它們周圍增加。這會改變空隙周圍的硅結(jié)構(gòu)，從而進一步增強增強效應(yīng)，形成一個自持反饋回路。該團隊還發(fā)現(xiàn)，他們可以通過改變激光的偏振來改變場增強的方向。
最終結(jié)果是在硅片中創(chuàng)建出最小 100 納米的二維平面或線狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的折射率與晶圓的其余部分不同，但 Tokel 表示，目前還不完全清楚這些結(jié)構(gòu)的組成。根據(jù)之前的研究，他認為硅片的底層晶體結(jié)構(gòu)可能已被修改。他補充說，電子顯微鏡研究應(yīng)該能夠在未來澄清這一點，但最終沒有必要了解這些結(jié)構(gòu)的確切底層性質(zhì)來創(chuàng)建有用的納米光子元件。
為了證明這一點，研究人員制造了一種納米級光子器件，稱為布拉格光柵，可用作光學濾波器。據(jù)該團隊稱，這是第一個完全埋在硅中的功能性納米級光學元件。
德國耶拿大學研究員Maxime Chambonneau表示，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)納米級特征非常了不起，因為 Tokel 團隊使用的相對較長的激光脈沖通常會產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)，從而導致微尺度變化。（Bilkent 團隊采用以納秒為單位的脈沖，而其他直接激光寫入工作傳統(tǒng)上涉及皮秒或飛秒激光。）Chambonneau 表示，能夠創(chuàng)建小于光波的特征可能會帶來各種可能性，包括提高太陽能電池的能量收集能力。
由于該制造技術(shù)不會對晶圓表面造成任何改變， Tokel表示，未來該技術(shù)可用于制造多功能設(shè)備，電子元件位于表面，光子元件埋在下面。該團隊還在研究該方法是否可用于在芯片表面下雕刻微流體通道。托克爾表示，通過這些通道泵送流體可以改善散熱，從而有助于冷卻電子設(shè)備并使其運行得更快。
Tokel表示，這種方法的最大限制在于研究人員無法精確控制空洞在特定區(qū)域出現(xiàn)的位置。目前，一小部分空洞在激光束聚焦的區(qū)域中分布不均勻。托克爾表示，如果他們能夠更精確地定位這些空洞，他們就能在三維空間中進行納米加工，而不僅僅是簡單地生產(chǎn)出線條或平面。
“如果你能單獨控制這些東西，并將它們像鏈條一樣分發(fā)，那么未來這將非常令人興奮，”他補充道。“因為這樣你將擁有更多的控制權(quán)，這將使更豐富的元素或系統(tǒng)成為可能。”
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