現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片可以構(gòu)建納米級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)。該方法的發(fā)明者表示，它在光子學(xué)和電子學(xué)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(gè)硅片上制造3D 結(jié)構(gòu)。
該技術(shù)依賴于硅對(duì)某些波長(zhǎng)的光透明這一事實(shí)。這意味著合適的激光可以穿過(guò)晶圓表面并與下面的硅相互作用。但設(shè)計(jì)一種既可以穿過(guò)表面又不會(huì)造成損壞、還能在下面進(jìn)行精確納米級(jí)制造的激光并不簡(jiǎn)單。
土耳其安卡拉比爾肯特大學(xué)的研究人員通過(guò)使用空間光調(diào)制來(lái)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(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。通過(guò)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(xué)特性的線和平面，這些線和平面可以組合起來(lái)在表面下創(chuàng)建納米光子元件。
使用激光在硅片內(nèi)部進(jìn)行制造并非新鮮事。但領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的比爾肯特大學(xué)物理學(xué)助理教授Onur Tokel解釋說(shuō)，到目前為止，只能制造出微米級(jí)結(jié)構(gòu)。他說(shuō)，將這種方法擴(kuò)展到納米級(jí)可以釋放新的能力，因?yàn)樗梢灾圃斐雠c入射光波長(zhǎng)大小相當(dāng)?shù)奶卣?。?dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，這些結(jié)構(gòu)會(huì)表現(xiàn)出一系列新穎的光學(xué)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(xué)和光伏技術(shù)的基石， Tokel說(shuō)?！叭绻覀兡茉诩{米級(jí)晶圓內(nèi)部引入額外的功能，以補(bǔ)充這些現(xiàn)有的功能，這將帶來(lái)一個(gè)完全不同的范例?，F(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(kāi)辟令人興奮的新方向。”
以前的技術(shù)無(wú)法在納米尺度上制造，因?yàn)榧す庖坏┻M(jìn)入硅內(nèi)部就會(huì)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(tuán)隊(duì)展示了他們可以通過(guò)使用一種稱為貝塞爾光束的特殊激光來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這種激光不會(huì)發(fā)生衍射。這意味著激光可以對(duì)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(dāng)激光照射到晶圓上時(shí)，會(huì)在光束聚焦的區(qū)域產(chǎn)生微小的孔洞，即空隙。Tokel說(shuō)，以前的方法也出現(xiàn)過(guò)這種情況，但聚焦更緊密的光束產(chǎn)生的較小空隙會(huì)表現(xiàn)出“場(chǎng)增強(qiáng)”效應(yīng)，導(dǎo)致激光強(qiáng)度在它們周圍增加。這會(huì)改變空隙周圍的硅結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，形成一個(gè)自持反饋回路。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，他們可以通過(guò)改變激光的偏振來(lái)改變場(chǎng)增強(qiáng)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(rèn)為硅片的底層晶體結(jié)構(gòu)可能已被修改。他補(bǔ)充說(shuō)，電子顯微鏡研究應(yīng)該能夠在未來(lái)澄清這一點(diǎn)，但最終沒(méi)有必要了解這些結(jié)構(gòu)的確切底層性質(zhì)來(lái)創(chuàng)建有用的納米光子元件。
為了證明這一點(diǎn)，研究人員制造了一種納米級(jí)光子器件，稱為布拉格光柵，可用作光學(xué)濾波器。據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這是第一個(gè)完全埋在硅中的功能性納米級(jí)光學(xué)元件。
德國(guó)耶拿大學(xué)研究員Maxime Chambonneau表示，研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)特征非常了不起，因?yàn)?Tokel 團(tuán)隊(duì)使用的相對(duì)較長(zhǎng)的激光脈沖通常會(huì)產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)，從而導(dǎo)致微尺度變化。（Bilkent 團(tuán)隊(duì)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(huì)帶來(lái)各種可能性，包括提高太陽(yáng)能電池的能量收集能力。
由于該制造技術(shù)不會(huì)對(duì)晶圓表面造成任何改變， Tokel表示，未來(lái)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(tuán)隊(duì)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(guò)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(yùn)行得更快。
Tokel表示，這種方法的最大限制在于研究人員無(wú)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(jìn)行納米加工，而不僅僅是簡(jiǎn)單地生產(chǎn)出線條或平面。
“如果你能單獨(dú)控制這些東西，并將它們像鏈條一樣分發(fā)，那么未來(lái)這將非常令人興奮，”他補(bǔ)充道?！耙?yàn)檫@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。”
