Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) hebben voor het eerst experimenteel aangetoond dat koperen nanofotonische componenten succesvol kunnen werken in fotonische apparaten - eerder werd aangenomen dat alleen gouden en zilveren componenten dit konden. Kopercomponenten zijn niet alleen net zo goed als componenten op basis van edele metalen; ze kunnen ook eenvoudig worden geïmplementeerd in geïntegreerde schakelingen met behulp van industriestandaard fabricageprocessen. "Dit is een soort revolutie - het gebruik van koper zal een van de belangrijkste problemen in nanofotonica oplossen, " zeggen de auteurs van het artikel. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano-letters .

De vondst, wat revolutionair is voor fotonica en de computers van de toekomst, werd gemaakt door onderzoekers van het Laboratory of Nanooptics and Plasmonics van MIPT's Center of Nanoscale Optoelectronics. Het is ze gelukt, Voor de eerste keer, bij de productie van koperen nanofotonische componenten, waarvan de eigenschappen net zo goed zijn als die van gouden componenten. Het is interessant op te merken dat de wetenschappers de kopercomponenten hebben gefabriceerd met behulp van het proces dat compatibel is met de industriestandaard productietechnologieën die tegenwoordig worden gebruikt om moderne geïntegreerde schakelingen te produceren. Dit betekent dat in de zeer nabije toekomst koperen nanofotonische componenten een basis zullen vormen voor de ontwikkeling van energiezuinige lichtbronnen, ultragevoelige sensoren, evenals krachtige opto-elektronische processors met enkele duizenden kernen.

De ontdekking werd gedaan in het kader van wat bekend staat als nanofotonica - een onderzoekstak die zich richt op, onder andere, bestaande componenten in gegevensverwerkingsapparatuur te vervangen door modernere componenten door fotonen te gebruiken in plaats van elektronen. Echter, terwijl transistors kunnen worden verkleind tot enkele nanometers, de diffractie van licht beperkt de minimale afmetingen van fotonische componenten tot de grootte van ongeveer de lichtgolflengte (~1 micrometer). Ondanks de fundamentele aard van deze zogenaamde diffractielimiet, men kan het overwinnen door metaal-diëlektrische structuren te gebruiken om echt fotonische componenten op nanoschaal te creëren. Ten eerste, de meeste metalen vertonen een negatieve permittiviteit bij optische frequenties, en het licht kan zich er niet doorheen voortplanten, doordringen tot een diepte van slechts 25 nanometer. Ten tweede, licht kan worden omgezet in oppervlakteplasmonpolaritonen, oppervlaktegolven die zich voortplanten langs het oppervlak van een metaal. Dit maakt het mogelijk om over te schakelen van conventionele 3D-fotonica naar 2D-oppervlakteplasmonfotonica, wat bekend staat als plasmonica. Dit biedt de mogelijkheid om licht te sturen op een schaal van ongeveer 100 nanometer, d.w.z., ver voorbij de diffractielimiet.

Eerder werd aangenomen dat slechts twee metalen - goud en zilver - konden worden gebruikt om efficiënte nanofotonische metaal-diëlektrische nanostructuren te bouwen en men dacht ook dat deze twee materialen niet door andere metalen konden worden vervangen. omdat ze een sterke absorptie vertonen. Echter, in praktijk, onderdelen maken met goud en zilver is niet mogelijk omdat die metalen, beide nobel, ga geen chemische reacties aan, en daarom is het buitengewoon moeilijk, duur en in veel gevallen onmogelijk om ze te gebruiken om nanostructuren te maken – de basis van moderne fotonica.

Onderzoekers van MIPT's Laboratory of Nanooptics and Plasmonics hebben een oplossing voor het probleem gevonden. Gebaseerd op een generalisatie van de theorie voor zogenaamde plasmonische metalen, in 2012, ze ontdekten dat koper als optisch materiaal niet alleen kan concurreren met goud, het kan ook een beter alternatief zijn. In tegenstelling tot goud, koper kan gemakkelijk worden gestructureerd met nat of droog etsen. Dit biedt de mogelijkheid om componenten op nanoschaal te maken die eenvoudig te integreren zijn in silicium fotonische of elektronische geïntegreerde schakelingen. Het kostte de onderzoekers meer dan twee jaar om de benodigde apparatuur aan te schaffen, het fabricageproces ontwikkelen, monsters produceren, verschillende onafhankelijke metingen uitvoeren, en bevestig deze hypothese experimenteel. "Als resultaat, we zijn erin geslaagd koperchips te fabriceren met optische eigenschappen die op geen enkele manier inferieur zijn aan op goud gebaseerde chips, ", zegt de onderzoeksleider Dmitry Fedyanin. "Bovendien, we zijn erin geslaagd dit te doen in een fabricageproces dat compatibel is met de CMOS-technologie, die de basis vormt voor alle moderne geïntegreerde schakelingen, inclusief microprocessoren. Het is een soort revolutie in nanofotonica".

De onderzoekers merken op dat de optische eigenschappen van dunne polykristallijne koperfilms worden bepaald door hun interne structuur. Het vermogen om deze structuur te beheersen en consistent de vereiste parameters in technologische cycli te reproduceren, is de moeilijkste taak. Echter, ze zijn erin geslaagd om dit probleem op te lossen, aantonen dat het niet alleen mogelijk is om met koper de gewenste eigenschappen te bereiken, maar ook dat dit kan in componenten op nanoschaal, die kan worden geïntegreerd met silicium nano-elektronica en silicium nanofotonica. "We hebben ellipsometrie van de koperfilms uitgevoerd en deze resultaten vervolgens bevestigd met behulp van optische scanning microscopie van de nanostructuren in het nabije veld. Dit bewijst dat de eigenschappen van koper niet worden aangetast tijdens het hele proces van het vervaardigen van plasmonische componenten op nanoschaal, " zegt Dmitry Fedyanin.

Deze studies bieden een basis voor het praktische gebruik van koperen nanofotonische en plasmonische componenten, die in de zeer nabije toekomst zullen worden gebruikt om LED's te maken, nanolasers, zeer gevoelige sensoren en transducers voor mobiele apparaten, en hoogwaardige opto-elektronische processors met enkele tienduizenden kernen voor grafische kaarten, persoonlijke computers, en supercomputers.