硅轉(zhuǎn)化：激光納米制造的新突破

最近，研究人員開發(fā)了一種在硅材料內(nèi)部進行納米制造的新技術(shù)，可以建立特征尺寸低至100納米的埋入式納米結(jié)構(gòu)

最近，研究人員開發(fā)了一種在硅材料內(nèi)部進行納米制造的新技術(shù)，可以建立特征尺寸低至100納米的埋入式納米結(jié)構(gòu)。通過利用空間調(diào)制的激光脈沖，在制造納米光子元件的過程中實現(xiàn)了前所未見的控制和精度，推動了電子和光子學(xué)的重要發(fā)展。

硅材料是現(xiàn)代電子、光伏和光子學(xué)的基石，由于現(xiàn)有的平版印刷技術(shù)的限制，傳統(tǒng)上硅僅限于表面階段的納米制造。可用的方法有的難以穿透晶圓表面而無法引起改變，有的則受到硅內(nèi)部的激光光刻微米級分辨率的限制。

正如理查德·費曼（Richard Feynman）的名言“底部有足夠的空間”，這一技術(shù)的突破與納米尺度上探索和操縱物質(zhì)的愿景是一致的。Bilkent研究團隊開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)超越了現(xiàn)有的技術(shù)局限，能夠以前所未有的控制力控制埋在硅晶圓深處的納米結(jié)構(gòu)。

納米級制造的突破

研究團隊解決了晶圓內(nèi)復(fù)雜光學(xué)效果以及激光固有衍射極限的雙重挑戰(zhàn)。為了解決這些問題，他們使用一種稱為“空間光調(diào)制”的方法建立了特殊的激光脈沖。光學(xué)散射的效應(yīng)會阻礙精確的能量沉積，還會引發(fā)晶圓內(nèi)極小的局部孔洞，光束的非衍射本質(zhì)很好地解決了這一點。在這個過程后出現(xiàn)了一個突然的播種效應(yīng)，預(yù)先形成了內(nèi)層的納米孔隙，形成了周圍強大的磁場增強效應(yīng)。這種新的制造模式標(biāo)志著比目前最頂尖的技術(shù)先進了一個數(shù)量級，實現(xiàn)了低至100納米的特征尺寸。

“我們的方法是基于將半導(dǎo)體材料中的激光脈沖能量定位到極小的體積，這樣就可以利用類似于等離子體的緊急場增強效應(yīng)，這會直接引起材料內(nèi)部的子波長和多維控制”，Tokel教授解釋。“我們現(xiàn)在可以制造埋在硅中的納米光子元素，比如具有高衍射效率甚至光譜控制的納米光柵。”

通過激光偏振提升納米制

研究人員使用空間調(diào)制激光脈沖，在技術(shù)上對應(yīng)了貝塞爾函數(shù)（Bessel function）。這種特殊激光束的非衍射本質(zhì)，是由先進的全息投影技術(shù)實現(xiàn)的，可以完成精確的能量定位。進一步形成高溫和壓力值，足以在小體積下修改材料。值得注意的是，由此產(chǎn)生的場增強，一旦建立，就會通過播種式機制來維持。簡單來說，初級階段的納米結(jié)構(gòu)建立有助于制造后期的納米結(jié)構(gòu)。激光偏振的使用為納米結(jié)構(gòu)的一致和對稱性提供了額外的控制力，能夠以高精度創(chuàng)建不同的納米陣列。

研究的第一作者Asgari Sabet博士表示：“通過利用激光-材料互動系統(tǒng)中的非單折射性反饋機制，我們在硅中實現(xiàn)了偏振控制的納米光刻。這種能力使我們能夠在納米程度上調(diào)整納米結(jié)構(gòu)的一致和對稱性。”

未來的影響和應(yīng)用

研究團隊驗證了具有超衍射極限特征的大面積納米結(jié)構(gòu)，使概念驗證的納米光子元素成為可能。這些進步對于發(fā)展擁有獨特架構(gòu)的納米系統(tǒng)意義重大。Tokel說：“我們相信，在最重要的技術(shù)材料中，設(shè)計自由將幫助我們在電子和光子學(xué)中找到令人興奮的應(yīng)用。超衍射極限特征和多維控制意味著未來的進步，如元表面、元材料、光子晶體、許多信息處理應(yīng)用，甚至3D集成電子光子系統(tǒng)。”

“我們的發(fā)現(xiàn)為硅材料開創(chuàng)了一種新的制造范式”，Tokel教授認為，“直接在硅內(nèi)部實現(xiàn)了納米尺度的制造，創(chuàng)立了一個新的制度，邁向更加先進的光子學(xué)。我們現(xiàn)在可以開始問，在硅中進行完整的三維納米制造是否可能？我們的研究朝著這個方向邁出了第一步。”

編譯自《Scitech》

（責(zé)任編輯 李雨蒙）