(Phys.org) — Het heeft meer dan 20 jaar geduurd, maar onderzoekers hebben voor het eerst aangetoond dat femtosecondelasers kunnen worden gebruikt om bulksilicium structureel te manipuleren voor zeer nauwkeurige toepassingen. Sinds eind jaren '90, onderzoekers hebben de ultrakorte pulsen van femtoseconde-lasers gebruikt om in bulkmaterialen met brede bandafstanden te schrijven, die typisch isolatoren zijn. Maar tot nu toe, nauwkeurig ultrasnel laserschrijven was niet mogelijk voor materialen met smalle bandafstanden, zoals silicium en andere halfgeleiders.

De onderzoekers verwachten dat de resultaten de deuren zullen openen naar 3D-laserschrijven voor siliciumfotonica-toepassingen, evenals voor het bestuderen van nieuwe fysica in halfgeleiders.

De wetenschappers, Margaux Chanal et al., van instituten in Frankrijk, Katar, Rusland, en Griekenland, hebben hun paper "Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon" gepubliceerd in een recent nummer van Natuurcommunicatie .

Bij eerdere pogingen tot ultrasnel laserschrijven in bulksilicium, wetenschappers ontdekten dat femtosecondelasers eenvoudigweg niet in staat waren om het bulksilicium structureel te manipuleren, zelfs wanneer de laserenergie werd verhoogd tot de hoogste pulsintensiteit die technologisch mogelijk was.

In de nieuwe studie vonden de onderzoekers dat, gelukkig, er is geen fysieke limiet die ultrasnelle laser-geïnduceerde structurele manipulaties van bulksilicium voorkomt. In plaats daarvan, ze ontdekten dat de laserenergie op een abrupte manier in het medium moet worden afgeleverd om verliezen door niet-lineaire absorptie te minimaliseren. Deze bevinding onthulde dat het probleem van alle eerdere inspanningen voortkwam uit de kleine numerieke apertuur (NA) van de laser, die verwijst naar het bereik van hoeken waarover gefocust laserlicht kan worden geleverd. De onderzoekers berekenden dat, om de gewenste resultaten te bereiken, het zou nodig zijn om extreme NA-waarden te verkrijgen die tot nu toe op dit gebied niet zijn gerealiseerd.

Om deze extreme NA-waarden te bereiken, de onderzoekers leenden een techniek van geavanceerde microscopie, de zogenaamde solid-immersiemicroscopie. Het idee is vergelijkbaar met de veelgebruikte vloeistof-immersiemicroscopie, waarin een kleine druppel olie op de dia wordt geplaatst. Omdat olie een grotere brekingsindex heeft dan lucht, de olie vermindert de hoeveelheid optische breking (buiging van licht) als het licht tussen het objectglaasje en de microscooplens reist. Dit, beurtelings, verhoogt de NA en de resolutie van de bijbehorende microscoop (de NA voor een microscoop meet het bereik van hoeken waarover licht wordt verzameld in plaats van afgegeven). Het verschil met vaste-immersiemicroscopie is dat een vast materiaal met een hoge brekingsindex wordt gebruikt in plaats van een vloeistof.

In de nieuwe studie de onderzoekers gebruikten siliciumbollen als het vaste onderdompelingsmedium. Ze vonden dat, bij het focussen van de laser op het midden van een bol, ze zouden breking volledig kunnen onderdrukken en de NA aanzienlijk kunnen verhogen. Door de extreme NA-waarden konden de laserpulsen voldoende ionisatie bereiken om chemische bindingen in het silicium te verbreken, wat op zijn beurt permanente structurele veranderingen in het materiaal veroorzaakt.

"Het diepgaande begrip van de fysica van de interactie en voortplanting van ultrakorte laserpulsen in halfgeleiders met een lage bandgap, zoals silicium, stelde ons in staat om dit al lang bestaande probleem op te lossen en gecontroleerde materiële structurele wijzigingen te realiseren, geschikt voor toepassingen, " co-auteur Stelios Tzortzakis, aan de Texas A&M University in Qatar, VOORUIT, en de Universiteit van Kreta in Griekenland, vertelde Phys.org . "Nog meer, de gelokaliseerde energiedepositie in het medium resulteert in fasen die niet in evenwicht zijn met extreme thermische en drukgradiënten die het creëren en bestuderen van nieuwe toestanden van materie mogelijk maken, voorheen onbereikbaar in laboratoriumomgevingen."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan de grenzen van deze benadering verder te verleggen door een andere microscopietechniek te lenen, genaamd 4-Pi-arrangement. Dit concept omvat het kruisen van meerdere laserpulsen met extreme NA-waarden in de middelpunten van bollen, wat kan leiden tot nog grotere mogelijkheden voor ultrasnel laserschrijven in bulksilicium en andere halfgeleiders.

"3D-laserschrijven dat van toepassing is op silicium, kan de manier waarop dingen worden ontworpen en gefabriceerd op het belangrijke gebied van siliciumfotonica drastisch veranderen, "Zei co-auteur David Grojo van CNRS/Aix-Marseille University in Frankrijk. "Siliciumfotonica wordt gezien als de volgende revolutie van micro-elektronica die licht op chipsniveau gebruikt voor ultieme snelheidsgegevensverwerking. Echter, het blijft vandaag een 2D-wereld vanwege de vlakke lithografische methoden die worden gebruikt voor fabricage (SOI-technologie). Met onze methode kunnen we ons het equivalent van een 3D-printer voorstellen voor snelle prototyping van elke innovatieve architectuur. Dit maakt het voor siliciumfotonica-specialisten mogelijk om dingen in 3D te ontwerpen die een echte aanjager moeten zijn voor de opkomst van disruptieve technologieën en nieuwe concepten."

© 2017 Fys.org