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的重要發(fā)展。

硅材料是現(xiàn)代電子、光伏和光子學的基石，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?？捎玫姆椒ㄓ械碾y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)復雜光學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?！拔覀儸F(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)?！?/p>

“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。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?！?/p>

編譯自《Scitech》

（責任編輯 李雨蒙）