Fysikere lover en kobberrevolution inden for nanofotonik

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi (MIPT) har for første gang eksperimentelt påvist, at nanofotoniske kobberkomponenter kan fungere med succes i fotoniske enheder - det blev tidligere antaget, at kun guld- og sølvkomponenter kunne gøre det. Kobberkomponenter er ikke kun lige så gode som komponenter baseret på ædelmetaller; de kan også nemt implementeres i integrerede kredsløb ved hjælp af industristandardfremstillingsprocesser. "Dette er en slags revolution - at bruge kobber vil løse et af hovedproblemerne inden for nanofotonik, " siger forfatterne til papiret. Resultaterne er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Nano bogstaver .

Opdagelsen, som er revolutionerende for fotonik og fremtidens computere, blev lavet af forskere fra Laboratory of Nanooptics and Plasmonics ved MIPT's Center of Nanoscale Optoelectronics. Det er lykkedes dem, for første gang, ved fremstilling af nanofotoniske kobberkomponenter, hvis egenskaber er lige så gode som guldkomponenter. Det er interessant at bemærke, at forskerne fremstillede kobberkomponenterne ved hjælp af processen, der er kompatibel med industristandard fremstillingsteknologier, der bruges i dag til at producere moderne integrerede kredsløb. Det betyder, at kobber nanofotoniske komponenter i en meget nær fremtid vil danne grundlag for udviklingen af ​​energieffektive lyskilder, ultra-følsomme sensorer, samt højtydende optoelektroniske processorer med flere tusinde kerner.

Opdagelsen blev gjort under det, der er kendt som nanofotonik – en forskningsgren, der har til formål, blandt andet, at erstatte eksisterende komponenter i databehandlingsenheder med mere moderne komponenter ved at bruge fotoner i stedet for elektroner. Imidlertid, mens transistorer kan skaleres ned i størrelse til nogle få nanometer, lysets diffraktion begrænser minimumsdimensionerne af fotoniske komponenter til størrelsen på omkring lysets bølgelængde (~1 mikrometer). På trods af den grundlæggende karakter af denne såkaldte diffraktionsgrænse, man kan overvinde det ved at bruge metal-dielektriske strukturer til at skabe virkelig nanoskala fotoniske komponenter. For det første, de fleste metaller viser en negativ permittivitet ved optiske frekvenser, og lys kan ikke forplante sig gennem dem, trænger ned til en dybde på kun 25 nanometer. For det andet lys kan omdannes til overfladeplasmonpolaritoner, overfladebølger, der udbreder sig langs overfladen af ​​et metal. Dette gør det muligt at skifte fra konventionel 3D fotonik til 2D overflade plasmon fotonik, som er kendt som plasmonics. Dette giver mulighed for at styre lyset i en skala på omkring 100 nanometer, dvs. langt ud over diffraktionsgrænsen.

Det blev tidligere antaget, at kun to metaller - guld og sølv - kunne bruges til at bygge effektive nanofotoniske metal-dielektriske nanostrukturer, og man mente også, at ingen andre metaller kunne erstatte disse to materialer, da de udviser stærk absorption. Imidlertid, i praksis, at skabe komponenter ved hjælp af guld og sølv er ikke muligt, fordi disse metaller, både ædle, ikke indgå i kemiske reaktioner, og det er derfor ekstremt svært, dyre og i mange tilfælde umulige at bruge dem til at skabe nanostrukturer – grundlaget for moderne fotonik.

Forskere fra MIPTs Laboratory of Nanooptics and Plasmonics har fundet en løsning på problemet. Baseret på en generalisering af teorien for såkaldte plasmoniske metaller, i 2012, de fandt ud af, at kobber som optisk materiale ikke kun kan konkurrere med guld, det kan også være et bedre alternativ. I modsætning til guld, kobber kan nemt struktureres ved hjælp af våd eller tør ætsning. Dette giver mulighed for at lave komponenter i nanoskala, der let integreres i silicium fotoniske eller elektroniske integrerede kredsløb. Det tog mere end to år for forskerne at købe det nødvendige udstyr, udvikle fremstillingsprocessen, fremstille prøver, udføre flere uafhængige målinger, og bekræfte denne hypotese eksperimentelt. "Som resultat, det lykkedes os at fremstille kobberspåner med optiske egenskaber, der på ingen måde er ringere end guldbaserede chips, " siger forskningslederen Dmitry Fedyanin. "Desuden, vi formåede at gøre dette i en fremstillingsproces, der er kompatibel med CMOS-teknologien, som er grundlaget for alle moderne integrerede kredsløb, inklusive mikroprocessorer. Det er en slags revolution inden for nanofotonik".

Forskerne bemærker, at de optiske egenskaber af tynde polykrystallinske kobberfilm er bestemt af deres indre struktur. Evnen til at kontrollere denne struktur og konsekvent reproducere de nødvendige parametre i teknologiske cyklusser er den sværeste opgave. Imidlertid, de har formået at løse dette problem, demonstrerer, at det ikke kun er muligt at opnå de nødvendige egenskaber med kobber, men også at dette kan gøres i komponenter i nanoskala, som kan integreres med silicium nanoelektronik og silicium nanophotonics. "Vi udførte ellipsometri af kobberfilmene og bekræftede derefter disse resultater ved hjælp af nærfeltsscanning optisk mikroskopi af nanostrukturerne. Dette beviser, at kobberets egenskaber ikke forringes under hele processen med at fremstille plasmoniske komponenter i nanoskala, " siger Dmitry Fedyanin.

Disse undersøgelser giver et grundlag for den praktiske anvendelse af kobber nanofotoniske og plasmoniske komponenter, som i meget nær fremtid vil blive brugt til at skabe LED'er, nanolasere, meget følsomme sensorer og transducere til mobile enheder, og højtydende optoelektroniske processorer med flere titusinde kerner til grafikkort, personlige computere, og supercomputere.