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Pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para nanofabricação dentro do silício que permite a criação de nanoestruturas enterradas com tamanhos de recursos de até 100 nm. Ao utilizar pulsos de laser modulados espacialmente, eles alcançaram controle e precisão sem precedentes na criação de elementos nanofotônicos, oferecendo potencial significativo para avanços em eletrônica e fotônica. (Conceito do artista.) Crédito: SciTechDaily.com
Um novo método permite a nanofabricação precisa dentro do silício usando modulação de luz espacial e pulsos de laser, criando nanoestruturas avançadas para uso potencial em eletrônica e fotônica.
O silício, a pedra angular da eletrônica moderna, fotovoltaica e fotônica, tem sido tradicionalmente limitado à nanofabricação de nível de superfície devido aos desafios impostos pelas técnicas litográficas existentes. Os métodos disponíveis falham em penetrar a superfície do wafer sem causar alterações ou são limitados pela resolução em microescala da litografia a laser dentro do Si.
Seguindo o espírito do famoso ditado de Richard Feynman, “Há muito espaço no fundo”, esta descoberta alinha-se com a visão de explorar e manipular a matéria no fundo. nanoescala. A técnica inovadora desenvolvida pela equipe de Bilkent supera as limitações atuais, permitindo a fabricação controlada de nanoestruturas enterradas profundamente dentro de pastilhas de silício com controle sem precedentes.
Avanço na fabricação em nanoescala
A equipe enfrentou o desafio duplo de efeitos ópticos complexos dentro do wafer e o limite de difração inerente da luz laser. Eles superaram isso empregando um tipo especial de pulso laser, criado por uma abordagem chamada modulação de luz espacial. A natureza não difratante do feixe supera os efeitos de espalhamento óptico que anteriormente impediam a deposição precisa de energia, induzindo vazios extremamente pequenos e localizados dentro do wafer. Este processo é seguido por um efeito de semeadura emergente, onde nano-vazios subsuperficiais pré-formados estabelecem forte aprimoramento de campo em torno de sua vizinhança imediata. Este novo regime de fabricação marca uma melhoria de uma ordem de magnitude em relação ao estado da arte, alcançando tamanhos de recursos de até 100 nm.
Técnicas avançadas de laser para nanolitografia
“Nossa abordagem é baseada na localização da energia do pulso de laser dentro de um material semicondutor para um volume extremamente pequeno, de modo que se possa explorar efeitos emergentes de aprimoramento de campo análogos aos da plasmônica. Isso leva ao controle subcomprimento de onda e multidimensional diretamente dentro do material”, explicou o Prof. Tokel. “Agora podemos fabricar elementos nanofotônicos enterrados em silício, como nanorrede com alta eficiência de difração e até mesmo controle espectral.”
Melhorando a nanofabricação por meio da polarização a laser
Os pesquisadores usaram pulsos de laser espacialmente modulados, correspondendo tecnicamente a uma função de Bessel. A natureza não difratante deste feixe de laser especial, que é criado com técnicas avançadas de projeção holográfica, permite a localização precisa da energia. Isso, por sua vez, leva a altos valores de temperatura e pressão o suficiente para modificar o material em um pequeno volume. Notavelmente, o aprimoramento de campo resultante, uma vez estabelecido, se sustenta por meio de um mecanismo do tipo seeding. Simplificando, a criação de nanoestruturas anteriores ajuda a fabricar as nanoestruturas posteriores. O uso da polarização do laser fornece controle adicional sobre o alinhamento e a simetria das nanoestruturas, permitindo a criação de diversos nanoarrays com alta precisão.
“Ao alavancar o mecanismo de feedback anisotrópico encontrado no sistema de interação laser-material, alcançamos nanolitografia controlada por polarização em silício”, disse o Dr. Asgari Sabet, o primeiro autor do estudo. “Essa capacidade nos permite guiar o alinhamento e a simetria das nanoestruturas na nanoescala.”
Implicações e aplicações futuras
A equipe de pesquisa demonstrou nanoestruturação volumétrica de grande área com recursos além do limite de difração, permitindo elementos nanofotônicos enterrados de prova de conceito. Esses avanços têm implicações significativas para o desenvolvimento de sistemas em nanoescala com arquiteturas exclusivas. “Acreditamos que a liberdade de design emergente no que é indiscutivelmente o material tecnológico mais importante encontrará aplicações interessantes em eletrônica e fotônica”, disse Tokel. “Os recursos além do limite de difração e o controle multidimensional implicam avanços futuros, como metassuperfícies, metamateriaiscristais fotônicos, inúmeras aplicações de processamento de informações e até mesmo sistemas eletrônicos-fotônicos integrados em 3D.”
Comentários finais sobre inovações na fabricação em nanoescala
“Nossas descobertas introduzem um novo paradigma de fabricação para o silício”, concluiu o Prof. Tokel, “A capacidade de fabricar na nanoescala diretamente dentro do silício abre um novo regime, em direção a uma maior integração e fotônica avançada. Agora podemos começar a perguntar se a nanofabricação tridimensional completa em silício é possível. Nosso estudo é o primeiro passo nessa direção.”
Referência: “Nanofabricação a laser dentro de silício com modulação de feixe espacial e semeadura anisotrópica” 16 de julho de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49303-z
A equipe de pesquisa é composta por Rana Asgari Sabet, Aqiq Ishraq, Alperen Saltik, Mehmet Bütün e Onur Tokel, todos afiliados ao Departamento de Física e ao Centro Nacional de Pesquisa em Nanotecnologia da Universidade Bilkent. Sua expertise abrange vários campos, incluindo óptica, ciência de materiais e nanotecnologia.
Financiamento: Este estudo é apoiado pelo Conselho de Pesquisa Científica e Tecnológica da Turquia (TUBITAK) e pela Academia Turca de Ciências.