Silicijum, kamen temeljac moderne elektronike, fotonaponske i fotonike, tradicionalno je bio ograničen na nanofabrikaciju na površinskom nivou zbog izazova koje predstavljaju postojeće litografske tehnike. Dostupne metode ili ne uspevaju da prodru u površinu pločice bez izazivanja promena ili su ograničene rezolucijom u mikronskoj skali laserske litografije unutar Si.
U duhu čuvene izreke Ričarda Fajnmana, „Ima dosta prostora na dnu“, ovaj proboj je u skladu sa vizijom istraživanja i manipulacije materijom na nanoskali. Inovativna tehnika koju je razvio tim Univerziteta Bilkent prevazilazi trenutna ograničenja, omogućavajući kontrolisanu proizvodnju nanostruktura zakopanih duboko unutar silicijumskih pločica sa kontrolom bez presedana.
Rad se pojavljuje u Nature Communications.
Tim se pozabavio dvostrukim izazovom složenih optičkih efekata unutar pločice i inherentne granice difrakcije laserske svetlosti. Oni ih prevazilaze upotrebom posebnog tipa laserskog impulsa, kreiranog pristupom koji se naziva prostorna modulacija svetlosti. Priroda zraka bez difrakcije prevazilazi efekte optičkog rasejanja koji su prethodno ometali precizno deponovanje energije, izazivajući izuzetno male, lokalizovane praznine unutar pločice.
Ovaj proces je praćen efektom emergentnog zasijavanja, gde prethodno formirane podzemne nano-praznine uspostavljaju snažno poboljšanje polja oko svog neposrednog susedstva. Ovaj novi režim proizvodnje označava poboljšanje za red veličine u odnosu na najsavremeniju tehnologiju, postižući veličine karakteristika do 100 nm.
„Naš pristup se zasniva na lokalizaciji energije laserskog impulsa unutar poluprovodničkog materijala na izuzetno malu zapreminu, tako da se mogu iskoristiti efekti poboljšanja polja koji su analogni onima u plazmonici. Ovo dovodi do podtalasne i višedimenzionalne kontrole direktno unutar materijala“, objasnio je prof.Tokel. „Sada možemo da proizvedemo nanofotonske elemente zakopane u silicijumu, kao što su nanorešetke sa visokom efikasnošću difrakcije, pa čak i spektralnom kontrolom.“
Istraživači su koristili prostorno modulisane laserske impulse, koji tehnički odgovaraju Beselovoj funkciji. Priroda ovog specijalnog laserskog snopa koji se stvara uz pomoć naprednih tehnika holografske projekcije omogućava preciznu lokalizaciju energije. Ovo, zauzvrat, dovodi do visokih temperatura i vrednosti pritiska dovoljnih da modifikuju materijal pri maloj zapremini.
Zanimljivo je da rezultirajuće poboljšanje polja, kada se jednom uspostavi, održava se kroz mehanizam tipa zasijavanja. Jednostavno rečeno, stvaranje ranijih nanostruktura pomaže u proizvodnji kasnijih nanostruktura. Upotreba laserske polarizacije obezbeđuje dodatnu kontrolu nad poravnanjem i simetrijom nanostruktura, omogućavajući stvaranje raznovrsnih nano-nizova sa visokom preciznošću.
„Upotrebom anizotropnog mehanizma povratne sprege koji se nalazi u sistemu interakcije laser-materijal, postigli smo nanolitografiju kontrolisanu polarizacijom u silicijumu“, rekao je dr Asgari Sabet, prvi autor studije. „Ova sposobnost nam omogućava da vodimo poravnanje i simetriju nanostruktura na nanoskali.“
Istraživački tim je demonstrirao volumetrijsku nanostrukturu velike površine sa karakteristikama izvan granica difrakcije, omogućavajući dokaz koncepta zakopanih nanofotonskih elemenata. Ovaj napredak ima značajne implikacije za razvoj sistema nano-razmera sa jedinstvenom arhitekturom.
„Verujemo da će nova sloboda dizajna u verovatno najvažnijem tehnološkom materijalu naći uzbudljive primene u elektronici i fotonici“, rekao je Tokel. „Karakteristike van granica difrakcije i višedimenzionalna kontrola impliciraju budući napredak, kao što su metapovršine, metamaterijali, fotonski kristali, brojne aplikacije za obradu informacija, pa čak i 3D integrisani elektronsko-fotonski sistemi.“
„Naši nalazi uvode novu paradigmu proizvodnje za silicijum“, zaključio je prof. Tokel, „Mogućnost proizvodnje na nano-razmeri direktno unutar silicijuma otvara novi režim, ka daljoj integraciji i naprednoj fotonici. Sada možemo da počnemo da se pitamo da li je potpuna trodimenzionalna nano-izrada u silicijumu je moguća. Naša studija je prvi korak u tom pravcu.
Pored Sabeta i Tokela, istraživački tim čine Akik Ishrak, Alperen Saltik i Mehmet Butun, svi povezani sa Odeljenjem za fiziku i Nacionalnim istraživačkim centrom za nanotehnologiju na Univerzitetu Bilkent. Njihova stručnost obuhvata različite oblasti, uključujući optiku, nauku o materijalima i nanotehnologiju.
