克服历史障碍
硅是现代电子学、光伏学和光子学的基础，但由于现有光刻技术的局限性，传统上仅限于表面级的纳米制造。现有方法要么无法深入晶圆表面而不造成改变，要么受到硅内激光光刻的微米级分辨率限制。正如理查德·费曼所言：“底部有足够的空间”，这一突破与在纳米尺度上探索和操控物质的愿景相一致。比尔肯特团队开发的创新技术超越了现有限制，能够以前所未有的方式控制深埋在硅晶圆内的纳米结构制造。
该团队成功应对了晶圆内复杂光学效应和激光固有衍射极限的双重挑战。他们通过使用一种特殊类型的激光脉冲来克服这些问题，这种脉冲是通过一种称为空间光调制的方法生成的。光束的非衍射特性克服了之前阻碍精确能量沉积的光学散射效应，在晶圆内部形成极小的局部空洞。随后会出现紧急播种效应，预制的地下纳米空洞在其邻近区域周围建立强场增强。这种新的制造模式标志着一个数量级的改进，能够实现特征尺寸低至100纳米。
“我们的方法是基于将半导体材料内激光脉冲的能量定位到极小的体积，从而利用类似于等离子体中的新兴场增强效应。这可以直接在材料内部实现亚波长和多维控制，”Tokel教授解释道。“我们现在可以制造埋在硅中的纳米光子元件，例如具有高衍射效率和光谱控制的纳米光栅。”
研究人员使用空间调制激光脉冲，技术上对应于贝塞尔函数。这种特殊激光束的无衍射特性是通过先进的全息投影技术创造的，能够精确定位能量。这反过来会导致足够高的温度和压力，从而在小体积内改变材料。值得注意的是，产生的田间增强一旦建立，就会通过一种播种机制自我维持。简单来说，早期纳米结构的创造有助于后期纳米结构的制造。激光偏振的使用为纳米结构的对齐和对称提供了额外的控制，从而能够以高精度创建各种纳米阵列。
“通过利用激光材料相互作用系统中发现的各向异性反馈机制，我们在硅上实现了极化控制的纳米光刻，”该研究的第一作者Asgari Sabet博士表示。“这种能力使我们能够在纳米尺度上指导纳米结构的对齐和对称性。”
该研究团队展示了具有超越衍射极限特征的大面积体积纳米结构，从而实现了埋藏纳米光子元件的概念验证。这些进展对开发具有独特结构的纳米级系统具有重要意义。Tokel表示：“我们相信，在最重要的技术材料中出现的设计自由将在电子和光子学中找到令人兴奋的应用。”“超越衍射极限的特性和多维控制意味着未来的发展，如超表面、超材料、光子晶体、众多信息处理应用，甚至是3D集成电子-光子系统。”
“我们的发现为硅引入了一种新的制造范式，”Tokel教授总结道，“直接在硅内部进行纳米级制造的能力为进一步集成和先进光子学开辟了一个新的领域。我们现在可以开始探讨在硅中实现完全三维纳米制造的可能性。我们的研究是朝这个方向迈出的第一步。”
关于研究人员
该研究小组由Rana Asgari Sabet、Aqiq Ishraq、Alperen Saltik、Mehmet b
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希望本篇文章《超越硅的界限》能对你有所帮助！
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