一種新方法利用空間光調(diào)制和激光脈沖在硅內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了精確的納米制造，創(chuàng)造出先進(jìn)的納米結(jié)構(gòu)，有望用于電子學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域。

硅是現(xiàn)代電子學(xué)、光伏學(xué)和光子學(xué)的基石，由于現(xiàn)有光刻技術(shù)帶來的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)上僅限于表面級納米制造�，F(xiàn)有的方法要么無法穿透晶片表面而不造成改變，要么受限于硅激光光刻技術(shù)的微米級分辨率。

Richard Feynman有一句名言："底層大有可為（There’s plenty of room at the bottom）“，這一突破與在納米尺度上探索和操縱物質(zhì)的愿景不謀而合。Bilkent團(tuán)隊(duì)開發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)超越了目前的限制，能夠以前所未有的控制方式控制制造深埋在硅片內(nèi)部的納米結(jié)構(gòu)。

納米級制造的突破

該團(tuán)隊(duì)解決了硅片內(nèi)部復(fù)雜光學(xué)效應(yīng)和激光固有衍射極限的雙重挑戰(zhàn)。他們采用了一種特殊的激光脈沖，通過一種稱為空間光調(diào)制的方法產(chǎn)生了這種激光脈沖，從而克服了這些難題。光束的非衍射特性克服了以前阻礙精確能量沉積的光學(xué)散射效應(yīng)，從而在晶片內(nèi)部產(chǎn)生極小的局部空隙。在這一過程之后，會產(chǎn)生一種新興的播種效應(yīng)，即預(yù)先形成的表面下納米空洞會在其鄰近周圍形成強(qiáng)大的場增強(qiáng)效應(yīng)。這一新的制造機(jī)制比最先進(jìn)的技術(shù)提高了一個(gè)數(shù)量級，可實(shí)現(xiàn)小至 100 納米的特征尺寸。

圖片:搜狗截圖20240716224408.png

硅片內(nèi)部多維激光納米光刻概念

先進(jìn)的納米光刻激光技術(shù)

Tokel 教授解釋道："我們的方法基于將半導(dǎo)體材料中的激光脈沖能量定位到極小的體積，這樣就可以利用類似于等離子體學(xué)中的新興場增強(qiáng)效應(yīng)。這樣就可以直接在材料內(nèi)部實(shí)現(xiàn)亞波長和多維控制。我們現(xiàn)在可以制造埋在硅中的納米光子元件，例如具有高衍射效率和甚至光譜控制能力的納米光柵。“

圖片:41467_2024_49303_Fig2_HTML.png

采用調(diào)制光束的納米光刻技術(shù)

通過激光偏振加強(qiáng)納米制造

研究人員使用了空間調(diào)制激光脈沖，在技術(shù)上相當(dāng)于貝塞爾函數(shù)。利用先進(jìn)的全息投影技術(shù)產(chǎn)生的這種特殊激光束的非衍射特性可實(shí)現(xiàn)精確的能量定位。這反過來又導(dǎo)致了足以在小體積內(nèi)改變材料的高溫和高壓值。值得注意的是，由此產(chǎn)生的場增強(qiáng)一旦建立，就會通過播種型機(jī)制自我維持。簡而言之，早期納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生有助于后期納米結(jié)構(gòu)的制造。激光偏振的使用為納米結(jié)構(gòu)的排列和對稱性提供了額外的控制，從而能夠高精度地創(chuàng)建各種納米陣列。

圖片:41467_2024_49303_Fig3_HTML.png

偏振加強(qiáng)納米加工

該研究的第一作者Asgari Sabet博士說："通過利用激光與材料相互作用系統(tǒng)中的各向異性反饋機(jī)制，我們在硅中實(shí)現(xiàn)了偏振控制的納米光刻技術(shù)。這種能力使我們能夠在納米尺度上指導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)的排列和對稱�！�

未來影響與應(yīng)用

研究團(tuán)隊(duì)展示了具有超越衍射極限特征的大面積體積納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了概念驗(yàn)證的埋入式納米光子元件。這些進(jìn)展對于開發(fā)具有獨(dú)特架構(gòu)的納米級系統(tǒng)具有重要意義。Tokel說："我們相信，可以說是最重要的技術(shù)材料中新出現(xiàn)的設(shè)計(jì)自由度將在電子學(xué)和光子學(xué)中找到令人興奮的應(yīng)用。超衍射極限特性和多維控制意味著未來的進(jìn)步，如超表面、超材料、光子晶體、眾多信息處理應(yīng)用，甚至三維集成電子光子系統(tǒng)。"

Tokel教授總結(jié)道："我們的發(fā)現(xiàn)為硅引入了一種新的制造模式，直接在硅內(nèi)部進(jìn)行納米級制造的能力開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域，即進(jìn)一步集成和先進(jìn)的光子學(xué)。我們現(xiàn)在可以開始考慮是否有可能在硅中實(shí)現(xiàn)完整的三維納米制造。我們的研究就是朝著這個(gè)方向邁出的第一步�！�

相關(guān)鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49303-z