Forskere når milepæl i 3D-laserskrivning i bulk silicium

(Phys.org) - Det har taget mere end 20 år, men forskere har for første gang demonstreret, at femtosekundlasere kan bruges til strukturelt at manipulere bulk silicium til applikationer med høj præcision. Siden slutningen af ​​90'erne har forskere har brugt ultrakortpulser fra femtosekundlasere til at skrive ind i bulkmaterialer med store båndgab, som typisk er isolatorer. Men indtil nu, præcis ultrahurtig laserskrivning har ikke været mulig for materialer med snævre båndgab, såsom silicium og andre halvledere.

Forskerne forventer, at resultaterne åbner dørene til 3D -laserskrivning til silicon fotonikapplikationer, samt til at studere ny fysik i halvledere.

Forskerne, Margaux Chanal et al., fra institutter i Frankrig, Qatar, Rusland, og Grækenland, har udgivet deres papir "Crossing the threshold for ultrafast laser writing in bulk silicium" i et nyligt nummer af Naturkommunikation .

I tidligere forsøg på ultrahurtig laserskrivning i bulk silicium, forskere fandt ud af, at femtosekundlasere simpelthen ikke var i stand til strukturelt at manipulere bulk silicium, selv når laserenergien blev øget til den højeste pulsintensitet teknologisk muligt.

I den nye undersøgelse, fandt forskerne, at heldigvis, der er ingen fysisk grænse, der forhindrer ultrahurtige laserinducerede strukturelle manipulationer af bulk silicium. I stedet, de fandt ud af, at laserenergien skal leveres i mediet på en brat måde for at minimere tab på grund af ikke -lineær absorption. Dette fund afslørede, at problemet med alle tidligere bestræbelser opstod fra laserens lille numeriske blænde (NA), som refererer til vinkelområdet, over hvilket fokuseret laserlys kan leveres. Forskerne beregnede, at for at opnå de ønskede resultater, det ville være nødvendigt at opnå ekstreme NA -værdier, der hidtil ikke er blevet realiseret på dette område.

For at nå disse ekstreme NA -værdier, forskerne lånte en teknik fra avanceret mikroskopi kaldet solid-immersion microscopy. Ideen ligner den almindeligt anvendte væske-nedsænkningsmikroskopi, hvori der lægges en lille dråbe olie på objektglasset. Da olie har et større brydningsindeks end luft, olien reducerer mængden af ​​optisk brydning (bøjning af lys), når lyset bevæger sig mellem objektglasset og mikroskoplinsen. Det her, på tur, øger NA og det tilhørende mikroskops opløsning (NA for et mikroskop måler vinkelområdet, over hvilket lys opsamles i stedet for at blive leveret). Forskellen ved fast nedsænkningsmikroskopi er, at der anvendes et fast materiale med et højt brydningsindeks i stedet for en væske.

I den nye undersøgelse, forskerne brugte siliciumkugler som medium til nedsænkning i fast form. De fandt ud af, at når laseren fokuseres i midten af ​​en kugle, de kunne fuldstændig undertrykke brydning og i høj grad øge NA. De ekstreme NA -værdier tillod laserpulserne at opnå tilstrækkelig ionisering til at bryde kemiske bindinger i silicium, hvilket igen forårsager permanente strukturelle ændringer i materialet.

"Den dybtgående forståelse af fysikken i interaktionen og udbredelsen af ​​ultrakorte laserpulser i lavbåndsgab halvledere, som silicium, gjort det muligt for os at løse dette mangeårige problem og opnå kontrollerede materialestrukturer, egnet til applikationer, "medforfatter Stelios Tzortzakis, ved Texas A&M University i Qatar, FORT, og Kretas universitet i Grækenland, fortalt Phys.org . "Endnu mere, den lokaliserede energiaflejring i mediet resulterer i faser uden for ligevægten med ekstreme varme- og trykgradienter, der kan muliggøre skabelse og undersøgelse af nye tilstande af stof, tidligere utilgængelig i laboratoriemiljøer. "

I fremtiden, forskerne planlægger yderligere at skubbe grænserne for denne tilgang ved at låne en anden mikroskopi teknik kaldet 4-Pi arrangement. Dette koncept indebærer krydsning af flere laserpulser med ekstreme NA -værdier i sfærernes centre, hvilket kan føre til endnu større muligheder for ultrahurtig laserskrivning i bulk silicium og andre halvledere.

"3D -laserskrivning, der gælder for silicium, kan drastisk ændre, hvordan tingene er designet og fremstillet inden for det vigtige område af siliciumfotonik, "sagde medforfatter David Grojo ved CNRS/Aix-Marseille University i Frankrig." Silicon fotonik ses som den næste revolution inden for mikroelektronik ved hjælp af lys på chipsniveau til ultimativ hastighedsdatabehandling. Imidlertid, den er i dag stadig en 2D -verden på grund af de plane litografiske metoder, der bruges til fremstilling (SOI -teknologi). Med vores metode kan vi forestille os, hvad der svarer til en 3D -printer til hurtig prototyping af enhver innovativ arkitektur. Dette vil gøre det muligt for specialister i siliciumfotonik at designe ting i 3D, der skal repræsentere en reel booster for fremkomsten af ​​forstyrrende teknologier og nye koncepter. "

© 2017 Phys.org