Transformasi Silikon: Sebuah Terobosan dalam Nanofabrikasi Laser

Sebuah metode baru memungkinkan pembuatan nano yang tepat di dalam silikon menggunakan modulasi cahaya spasial dan pulsa laser, menciptakan nanostruktur canggih untuk penggunaan potensial dalam elektronik dan fotonik.

Silikon, landasan elektronika, fotovoltaik, dan fotonik trendy, secara tradisional terbatas pada nanofabrikasi tingkat permukaan karena tantangan yang ditimbulkan oleh teknik litografi yang ada. Metode yang tersedia gagal menembus permukaan wafer tanpa menyebabkan perubahan atau dibatasi oleh resolusi skala mikron litografi laser dalam Si.

Sesuai dengan pepatah terkenal Richard Feynman, 'Ada banyak ruang di dasar', terobosan ini sejalan dengan visi untuk mengeksplorasi dan memanipulasi materi di dasar. skala nanoTeknik inovatif yang dikembangkan oleh tim Bilkent melampaui batasan saat ini, memungkinkan fabrikasi nanostruktur terkendali yang terkubur jauh di dalam wafer silikon dengan kontrol yang belum pernah ada sebelumnya.

Terobosan dalam Fabrikasi Skala Nano

Tim tersebut mengatasi tantangan ganda berupa efek optik kompleks dalam wafer dan batas difraksi inheren dari sinar laser. Mereka mengatasinya dengan menggunakan jenis pulsa laser khusus, yang dibuat dengan pendekatan yang disebut modulasi cahaya spasial. Sifat sinar yang tidak terdifraksi mengatasi efek hamburan optik yang sebelumnya menghalangi pengendapan energi yang tepat, sehingga menimbulkan rongga yang sangat kecil dan terlokalisasi di dalam wafer. Proses ini diikuti oleh efek penyemaian yang muncul, di mana rongga nano bawah permukaan yang telah terbentuk sebelumnya membentuk peningkatan medan yang kuat di sekitar lingkungan terdekatnya. Rezim fabrikasi baru ini menandai peningkatan sebesar satu orde besaran dari yang tercanggih, mencapai ukuran fitur hingga 100 nm.

Teknik Laser Canggih untuk Nanolitografi

“Pendekatan kami didasarkan pada pelokalan energi pulsa laser dalam materials semikonduktor ke quantity yang sangat kecil, sehingga seseorang dapat memanfaatkan efek peningkatan medan yang muncul yang serupa dengan yang ada dalam plasmonik. Hal ini menghasilkan kontrol sub-panjang gelombang dan multi-dimensi secara langsung di dalam materials,” jelas Prof. Tokel. “Kami sekarang dapat membuat elemen nanofotonik yang terkubur dalam silikon, seperti nanograting dengan efisiensi difraksi tinggi dan bahkan kontrol spektral.”

Meningkatkan Nanofabrikasi Melalui Polarisasi Laser

Para peneliti menggunakan pulsa laser yang dimodulasi secara spasial, yang secara teknis sesuai dengan fungsi Bessel. Sifat non-difraksi dari sinar laser khusus ini, yang dibuat dengan teknik proyeksi holografik canggih, memungkinkan pelokalan energi yang tepat. Hal ini, pada gilirannya, menghasilkan nilai suhu dan tekanan yang cukup tinggi untuk memodifikasi materials pada quantity kecil. Hebatnya, peningkatan medan yang dihasilkan, setelah terbentuk, bertahan melalui mekanisme tipe penyemaian. Sederhananya, penciptaan nanostruktur sebelumnya membantu membuat nanostruktur selanjutnya. Penggunaan polarisasi laser memberikan kontrol tambahan atas penyelarasan dan simetri nanostruktur, yang memungkinkan penciptaan beragam nano-array dengan presisi tinggi.

“Dengan memanfaatkan mekanisme umpan balik anisotropik yang ditemukan dalam sistem interaksi laser-material, kami mencapai nanolitografi yang dikendalikan polarisasi dalam silikon,” kata Dr. Asgari Sabet, penulis pertama studi tersebut. “Kemampuan ini memungkinkan kami untuk memandu penyelarasan dan simetri nanostruktur pada skala nano.”

Implikasi dan Aplikasi Masa Depan

Tim peneliti menunjukkan nanostrukturisasi volumetrik space luas dengan fitur di luar batas difraksi, yang memungkinkan pembuktian konsep elemen nano-fotonik yang terkubur. Kemajuan ini memiliki implikasi signifikan untuk mengembangkan sistem skala nano dengan arsitektur yang unik. “Kami percaya kebebasan desain yang muncul dalam materials teknologi yang paling penting akan menemukan aplikasi yang menarik dalam elektronik dan fotonik,” kata Tokel. “Fitur di luar batas difraksi dan kontrol multidimensi menyiratkan kemajuan di masa depan, seperti metasurfaces, metamaterialkristal fotonik, berbagai aplikasi pemrosesan informasi, dan bahkan sistem elektronik-fotonik terintegrasi 3D.”

Penutup tentang Inovasi Fabrikasi Skala Nano

“Temuan kami memperkenalkan paradigma fabrikasi baru untuk silikon,” simpul Prof. Tokel, “Kemampuan untuk melakukan fabrikasi pada skala nano langsung di dalam silikon membuka rezim baru, menuju integrasi lebih lanjut dan fotonik tingkat lanjut. Sekarang kita dapat mulai bertanya apakah fabrikasi nano tiga dimensi lengkap dalam silikon dimungkinkan. Studi kami adalah langkah pertama ke arah itu.”

Referensi: “Nanofabrikasi laser di dalam silikon dengan modulasi sinar spasial dan penyemaian anisotropik” oleh Rana Asgari Sabet, Aqiq Ishraq, Alperen Saltik, Mehmet Bütün dan Onur Tokel, 16 Juli 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-49303-z

Tim peneliti tersebut terdiri dari Rana Asgari Sabet, Aqiq Ishraq, Alperen Saltik, Mehmet Bütün, dan Onur Tokel, yang semuanya berafiliasi dengan Departemen Fisika dan Pusat Penelitian Nanoteknologi Nasional di Universitas Bilkent. Keahlian mereka mencakup berbagai bidang, termasuk optik, ilmu materials, dan nanoteknologi.

Pendanaan: Penelitian ini didukung oleh Dewan Riset Ilmiah dan Teknologi Turki (TUBITAK) dan Akademi Ilmu Pengetahuan Turki.