Wetenschap
Een methode om kwantumdots nauwkeurig te centreren in fotonische chips
Apparaten die het schitterende licht van miljoenen kwantumdots opvangen, waaronder lasers op chipschaal en optische versterkers, hebben de overstap gemaakt van laboratoriumexperimenten naar commerciële producten. Maar nieuwere soorten quantum-dot-apparaten komen langzamer op de markt omdat ze een buitengewoon nauwkeurige uitlijning vereisen tussen individuele stippen en de miniatuuroptiek die de uitgezonden straling opvangt en geleidt.
Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben nu standaarden en kalibraties ontwikkeld voor optische microscopen waarmee kwantumstippen kunnen worden uitgelijnd met het midden van een fotonische component tot binnen een fout van 10 tot 20 nanometer (ongeveer één -duizendste van de dikte van een vel papier).
Een dergelijke uitlijning is van cruciaal belang voor apparaten op chipschaal die de door kwantumdots uitgezonden straling gebruiken om kwantuminformatie op te slaan en te verzenden. Het onderzoek is gepubliceerd in Optica Quantum .
Voor het eerst bereikten de NIST-onderzoekers dit nauwkeurigheidsniveau over het hele beeld van een optische microscoop, waardoor ze de posities van veel individuele kwantumdots konden corrigeren. Een door de onderzoekers ontwikkeld model voorspelt dat als microscopen worden gekalibreerd volgens de nieuwe standaarden, het aantal krachtige apparaten met wel een honderdvoud kan toenemen.
Dat nieuwe vermogen zou ervoor kunnen zorgen dat kwantuminformatietechnologieën die langzaam uit onderzoekslaboratoria tevoorschijn komen, betrouwbaarder kunnen worden bestudeerd en efficiënter kunnen worden ontwikkeld tot commerciële producten.
Bij het ontwikkelen van hun methode creëerden Craig Copeland, Samuel Stavis en hun medewerkers, waaronder collega's van het Joint Quantum Institute (JQI), een onderzoekspartnerschap tussen NIST en de Universiteit van Maryland, standaarden en kalibraties die herleidbaar waren tot het International System of Units. (SI) voor optische microscopen die worden gebruikt om de uitlijning van kwantumdots te begeleiden.
"Het ogenschijnlijk eenvoudige idee om een kwantumstip te vinden en er een fotonische component op te plaatsen, blijkt een lastig meetprobleem te zijn", aldus Copeland.
Bij een typische meting beginnen de fouten zich op te stapelen als onderzoekers een optische microscoop gebruiken om de locatie van individuele kwantumdots te vinden, die zich op willekeurige locaties op het oppervlak van een halfgeleidermateriaal bevinden. Als onderzoekers de krimp van halfgeleidermaterialen negeren bij de ultrakoude temperaturen waarbij kwantumdots werken, worden de fouten groter.
Wat de zaken nog ingewikkelder maakt, is dat deze meetfouten worden verergerd door onnauwkeurigheden in het fabricageproces dat onderzoekers gebruiken om hun kalibratiestandaarden te maken, wat ook van invloed is op de plaatsing van de fotonische componenten.
De NIST-methode, die de onderzoekers beschreven in een artikel dat op 18 maart online werd geplaatst in Optica Quantum, identificeert en corrigeert dergelijke fouten, die eerder over het hoofd werden gezien.
Het NIST-team creëerde twee soorten traceerbare standaarden om optische microscopen te kalibreren:eerst bij kamertemperatuur om het fabricageproces te analyseren, en vervolgens bij cryogene temperaturen om de locatie van kwantumdots te meten. Voortbouwend op hun eerdere werk bestond de kamertemperatuurstandaard uit een reeks gaten op nanoschaal die op een bepaalde afstand van elkaar in een metaalfilm waren geplaatst.
De onderzoekers maten vervolgens de werkelijke posities van de gaten met een atoomkrachtmicroscoop, zodat de posities herleidbaar waren tot de SI. Door de schijnbare posities van de gaten, zoals bekeken door de optische microscoop, te vergelijken met de werkelijke posities, beoordeelden de onderzoekers fouten uit de vergrotingskalibratie en beeldvervorming van de optische microscoop. De gekalibreerde optische microscoop zou vervolgens kunnen worden gebruikt om snel andere standaarden te meten die de onderzoekers hadden bedacht, waardoor een statistische analyse van de nauwkeurigheid en variabiliteit van het proces mogelijk werd.
"Goede statistieken zijn essentieel voor elke schakel in een traceerbaarheidsketen", zegt NIST-onderzoeker Adam Pintar, co-auteur van het artikel.
Het onderzoeksteam breidde hun methode uit naar lage temperaturen en kalibreerde een ultrakoude optische microscoop voor het afbeelden van kwantumstippen. Om deze kalibratie uit te voeren, creëerde het team een nieuwe microscopiestandaard:een reeks pijlers vervaardigd op een siliciumwafel. De wetenschappers werkten met silicium omdat de krimp van het materiaal bij lage temperaturen nauwkeurig is gemeten.
De onderzoekers ontdekten verschillende valkuilen bij het kalibreren van de vergroting van cryogene optische microscopen, die doorgaans een slechtere beeldvervorming vertonen dan microscopen die bij kamertemperatuur werken. Deze optische onvolkomenheden buigen de beelden van rechte lijnen om in knoestige rondingen die door de kalibratie effectief worden rechtgetrokken. Indien niet gecorrigeerd, veroorzaakt de beeldvervorming grote fouten bij het bepalen van de positie van kwantumstippen en bij het uitlijnen van de punten binnen doelen, golfgeleiders of andere lichtregelende apparaten.
"Deze fouten hebben onderzoekers er waarschijnlijk van weerhouden apparaten te fabriceren die presteren zoals voorspeld", zegt NIST-onderzoeker Marcelo Davanco, co-auteur van het artikel.
De onderzoekers ontwikkelden een gedetailleerd model van de meet- en fabricagefouten bij het integreren van kwantumdots met fotonische componenten op chipschaal. Ze bestudeerden hoe deze fouten het vermogen van quantum-dot-apparaten beperken om te presteren zoals ontworpen, en ontdekten het potentieel voor een honderdvoudige verbetering.
"Een onderzoeker zou blij kunnen zijn als één op de honderd apparaten werkt voor zijn eerste experiment, maar een fabrikant heeft misschien negenennegentig van de honderd apparaten nodig om te werken", merkte Stavis op. "Ons werk is een sprong voorwaarts in deze transitie van laboratorium naar fabriek."
Naast quantum-dot-apparaten kunnen traceerbare standaarden en kalibraties die bij NIST worden ontwikkeld, de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid verbeteren in andere veeleisende toepassingen van optische microscopie, zoals het afbeelden van hersencellen en het in kaart brengen van neurale verbindingen.
Voor deze inspanningen proberen onderzoekers ook nauwkeurige posities van de bestudeerde objecten over een volledig microscoopbeeld te bepalen. Bovendien moeten wetenschappers mogelijk positiegegevens van verschillende instrumenten bij verschillende temperaturen coördineren, zoals het geval is voor quantum-dot-apparaten.