Optische eigenschappen van materialen zijn gebaseerd op hun chemie en de inherente subgolflengte-architectuur, hoewel de laatste nog moet worden gekarakteriseerd in de diepte. Fotonische kristallen en metamaterialen hebben dit bewezen door via oppervlakteveranderingen toegang te bieden tot een nieuw niveau van lichtmanipulatie dat verder gaat dan de bekende natuurlijke optische eigenschappen van materialen. Nog, in de afgelopen drie decennia van onderzoek, technische methoden waren niet in staat om op betrouwbare wijze harde optische kristallen buiten het materiaaloppervlak te nanostructureren voor diepgaande optische karakterisering en gerelateerde toepassingen.

Bijvoorbeeld, laserlithografie ontwikkeld door de halfgeleiderindustrie is een oppervlaktebewerkingstechniek die wordt gebruikt voor het efficiënt etsen van een reeks materialen, inclusief silicium, kwartsglas en polymeren. Het proces kan hoogwaardige tweedimensionale (2-D) nanofotonische apparaten produceren die kunnen worden uitgebreid tot 3D, die twee decennia geleden werd aangetoond met infrarood femtoseconde laser direct schrijven. Echter, de fotogepolymeriseerde structuren zijn onpraktisch omdat ze niet kunnen worden gekoppeld aan andere fotonische elementen. Terwijl 3D-nanogestructureerde optische vezels functionaliteiten hebben geleverd die veel verder gaan dan die mogelijk zijn met gewoon ongestructureerd glas om een ​​revolutie teweeg te brengen in niet-lineaire optica en optische communicatie, betrouwbare vervaardiging van materialen in kristallijne media is ongrijpbaar gebleven.

Alternatieve methoden zijn onder meer directe machinale bewerking van 3D-nanostructuren met laser-geïnduceerde diëlektrische afbraak en micro-explosies die worden geactiveerd in transparante kristallen om holtes te vormen en submicrometerstructuren erin te induceren. Maar dergelijke methoden deden zich voor met het risico van uitgebreide roosterschade en scheurvoortplanting. Daarom, ondanks inspanningen, een standaardmethode voor grootschalige, 3D-volume kristal nanostructurering moet nog worden gerapporteerd.

In een recente studie gepubliceerd in Natuurfotonica , Airán Ródenas en medewerkers van het Institute of Photonics and Nanotechnology en de Department of Physics vertrokken van bestaande methoden voor het ontwerpen van de kristalnanoarchitectuur. In plaats daarvan, stelden ze een methode voor waarbij de interne chemische reactiviteit van een kristal, gegeven door de natte etssnelheid, kan lokaal op nanoschaal worden gemodificeerd om dichte nanoporiënroosters te vormen met behulp van multiphoton 3D-laserschrijven (3DLW). De interdisciplinaire wetenschappers toonden aan dat centimeterlange lege poriënroosters met willekeurige kenmerken op de schaal van 100 nm konden worden gecreëerd in belangrijke kristallen zoals yttrium-aluminium-granaat (YAG) en saffier, meestal gebruikt voor praktische toepassingen. Rodenas et al. direct laserschrijven uitgevoerd vóór het etsen, het creëren van de gewenste poriearchitectuur in het solid-state laserkristal voor fotonische toepassingen.

In de experimenten, de wetenschappers gebruikten een standaard 3DLW met een ytterbium-modus-vergrendelde ultrasnelle fiberlaser (1030 nm golflengte en 350 fs pulsduur). Een olie-immersie-objectief van 1,4 numerieke apertuur (NA) werd gebruikt om de laserpulsen in de kristallen strak te focussen. Rodenas et al. gebruikte computergestuurde XYZ lineaire stadia voor 3D-nanopositionering van de monsters. Na laserbestraling, ze polijstten de kristallen zijdelings om de bestraalde structuren bloot te leggen, gevolgd door nat chemisch etsen. Voor deze, de YAG-kristallen werden geëtst in heet fosforzuur in gedeïoniseerd water. Een belangrijke technische beperking van het etsproces was de moeilijkheid bij het verversen van het uitgeputte zuur in de nanoporiën die zijn vervaardigd met behulp van de gedetailleerde methode.

De resultaten toonden een etsselectiviteit bij een waarde groter dan 1 x 10 ⁵ op moleculair niveau tussen de gemodificeerde en ongerepte kristallijne toestanden, tot nu toe niet waargenomen in een fotobestraald materiaal. De waargenomen waarde was ongeveer twee ordes van grootte hoger dan die van aluminiumoxide-etsmaskers op silicium. Rodenas et al. bepaalde de etssnelheid van ongemodificeerde YAG bij ~ 1 nm/uur. De voorgestelde methode maakte het ontwerp en de fabricage van nanofotonische elementen in een kristal mogelijk die de gewenste optische reacties zouden kunnen bieden, bij de subgolflengtestructuur. De wetenschappers waren in staat om de kenmerken van porierichting te controleren, maat, vorm, vulfractie en lengte van nanoporieroosters in YAG-kristallen door 3DLW en nat etsen te combineren.

Het YAG-rooster werd 120 uur geëtst om gemiddelde poriënafmetingen in de x- en y-richtingen te verkrijgen. De porievorm en -grootte werden gecontroleerd door het laservermogen en de polarisatie aan te passen. De diameter van geëtste nanoporiën was afhankelijk van het laservermogen en kon worden bestudeerd voor zowel lineaire als circulaire laserstraalpolarisaties. Als beperkingen van de techniek, ze ontdekten dat 3D-fotonische structuren kenmerkend geïsoleerd waren in de ruimte, benodigde steunmuren, en leed aan krimp en een lage optische schadedrempel.

De wetenschappers ontwikkelden de fotonische structuren met behulp van circulaire polarisatie om op reproduceerbare wijze luchtporiën te creëren in het nanoschaalgebied onder 200 nm. De nanofotonische structuren (fotonische roosters met luchtporiën) die in het kristal werden gecreëerd, behielden een ruimtelijke resolutie die gelijk was aan die verkregen met de modernste multifoton-polymerisatielithografie.

Voor praktische toepassingen, nanofotonische apparaten vereisen robuuste en efficiënte optische onderlinge verbindingen om grote, complexe circuitontwerpen met andere optische elementen. Om dit te behalen, Rodenas et al. controleerde de differentiële etssnelheid om grote porielengtes tussen de fotogemodificeerde volumes en het omringende kristal te behouden. Ze gebruikten scanning elektronenmicroscopie (SEM) om het 3D-etsproces te observeren en te bewijzen.

Binnen 170 uur, de wetenschappers bereikten nanoporiën met doorsneden van 368 x 726 nm ² en lengtes van 3,1 mm; om aan te tonen dat nanoporiën met een lengte op millimeterschaal kunnen worden geconstrueerd in een enkele etsstap. Nanofotonische apparaten vereisen doorgaans dergelijke roosterafmetingen van micrometrisch tot centimeterschaal, zonder brosse breuk van het kristal als gevolg van overmatige spanning. Op deze manier, de wetenschappers implementeerden een schema om nanostructuren en microgestructureerde optische golfgeleiders (MOW's) homogeen te etsen, op de gewenste schaal over het hele monster.

Om te testen of de waargenomen selectiviteit van nanoporie-etsen met YAG overdraagbaar was naar andere kristaltypes, de wetenschappers voerden vergelijkbare experimentele nanostructurering uit met saffier. Ze vonden een parallelle etssnelheid van nanoporiën van ~1 x 10 ⁵ in saffier, vergelijkbaar met YAG en hoger dan de snelheid die eerder werd waargenomen met microkanalen geëtst in saffier. Ródenas en collega's vormden millimeterlange nanoporiën in saffier met doorsneden zo klein als ~120 nm en testten de haalbaarheid van de methode door nanoporiënroosters te maken die 170 uur lang waren geëtst zonder het kristal te breken.

Het vermogen om roostervorming tot op nanometerschaal te beheersen, zal nuttig zijn in praktische fotonische toepassingen. Bijvoorbeeld, fotonische bandgap-roosters kunnen worden ontworpen met stopbanden in het zichtbare tot midden-infrarode bereik in laserkristallen in vaste toestand voor fotonische informatietechnologie. Om het potentieel van de 3D-nanolithografietechniek verder uit te breiden, Rodenas et al. ontworpen MOW (microgestructureerde optische golfgeleiders) met verschillende roosterafstanden en holtegroottes. Ze kregen afmetingen in het bereik van een centimeter lang, met 700 nm pitch rooster waargenomen onder zichtbaar licht verlichting.

Rodenas et al. voerde theoretische en simulatiemethoden uit van de subgolflengteroosters voorafgaand aan hun materiaalfabricage. Voor de numerieke simulaties, ze gebruikten de eindige-elementenmethode (FEM) in COMSOL Multiphysics 4.2-software. De wetenschappers gebruikten dezelfde FEM-software en -methode om YAG MOW's voorafgaand aan de fabricage te modelleren.

Dit vermogen om gecontroleerde 3D-nanostructuren van kristallen te creëren, opent nieuwe routes om compacte, monolithische vastestoflasers. De resulterende kristallen kunnen traditionele holte-elementen bevatten (roosters, vezels, microfluïdische koelkanalen) of nieuwe microresonatoren in het kristal. Het vooruitzicht van engineering groot, nanogestructureerde laserkristallen zullen een nieuwe basis vormen voor precisietechnologie in metrologische toepassingen en mogelijk nieuwe toepassingen mogelijk maken met ultrasterke vervormbare lasernanovezels in micro-elektronica en voor medicijnafgifte in de geneeskunde.

© 2019 Wetenschap X Netwerk