硅转化：激光纳米制造的新突破

最近，研究人员开发了一种在硅材料内部进行纳米制造的新技术，可以建立特征尺寸低至100纳米的埋入式纳米结构

最近，研究人员开发了一种在硅材料内部进行纳米制造的新技术，可以建立特征尺寸低至100纳米的埋入式纳米结构。通过利用空间调制的激光脉冲，在制造纳米光子元件的过程中实现了前所未见的控制和精度，推动了电子和光子学的重要发展。

硅材料是现代电子、光伏和光子学的基石，由于现有的平版印刷技术的限制，传统上硅仅限于表面阶段的纳米制造。可用的方法有的难以穿透晶圆表面而无法引起改变，有的则受到硅内部的激光光刻微米级分辨率的限制。

正如理查德·费曼（Richard Feynman）的名言“底部有足够的空间”，这一技术的突破与纳米尺度上探索和操纵物质的愿景是一致的。Bilkent研究团队开发的创新技术超越了现有的技术局限，能够以前所未有的控制力控制埋在硅晶圆深处的纳米结构。

纳米级制造的突破

研究团队解决了晶圆内复杂光学效果以及激光固有衍射极限的双重挑战。为了解决这些问题，他们使用一种称为“空间光调制”的方法建立了特殊的激光脉冲。光学散射的效应会阻碍精确的能量沉积，还会引发晶圆内极小的局部孔洞，光束的非衍射本质很好地解决了这一点。在这个过程后出现了一个突然的播种效应，预先形成了内层的纳米孔隙，形成了周围强大的磁场增强效应。这种新的制造模式标志着比目前最顶尖的技术先进了一个数量级，实现了低至100纳米的特征尺寸。

“我们的方法是基于将半导体材料中的激光脉冲能量定位到极小的体积，这样就可以利用类似于等离子体的紧急场增强效应，这会直接引起材料内部的子波长和多维控制”，Tokel教授解释。“我们现在可以制造埋在硅中的纳米光子元素，比如具有高衍射效率甚至光谱控制的纳米光栅。”

通过激光偏振提升纳米制

研究人员使用空间调制激光脉冲，在技术上对应了贝塞尔函数（Bessel function）。这种特殊激光束的非衍射本质，是由先进的全息投影技术实现的，可以完成精确的能量定位。进一步形成高温和压力值，足以在小体积下修改材料。值得注意的是，由此产生的场增强，一旦建立，就会通过播种式机制来维持。简单来说，初级阶段的纳米结构建立有助于制造后期的纳米结构。激光偏振的使用为纳米结构的一致和对称性提供了额外的控制力，能够以高精度创建不同的纳米阵列。

研究的第一作者Asgari Sabet博士表示：“通过利用激光-材料互动系统中的非单折射性反馈机制，我们在硅中实现了偏振控制的纳米光刻。这种能力使我们能够在纳米程度上调整纳米结构的一致和对称性。”

未来的影响和应用

研究团队验证了具有超衍射极限特征的大面积纳米结构，使概念验证的纳米光子元素成为可能。这些进步对于发展拥有独特架构的纳米系统意义重大。Tokel说：“我们相信，在最重要的技术材料中，设计自由将帮助我们在电子和光子学中找到令人兴奋的应用。超衍射极限特征和多维控制意味着未来的进步，如元表面、元材料、光子晶体、许多信息处理应用，甚至3D集成电子光子系统。”

“我们的发现为硅材料开创了一种新的制造范式”，Tokel教授认为，“直接在硅内部实现了纳米尺度的制造，创立了一个新的制度，迈向更加先进的光子学。我们现在可以开始问，在硅中进行完整的三维纳米制造是否可能？我们的研究朝着这个方向迈出了第一步。”

编译自《Scitech》

（责任编辑 李雨蒙）