研究人员在硅内部实现了前所未有的纳米结构

硅是现代电子、光伏和光子学的基石，由于现有光刻技术带来的挑战，硅传统上仅限于表面级纳米制造。现有的方法要么无法在不造成改变的情况下穿透晶圆表面，要么受到硅内激光光刻微米级分辨率的限制。

秉承理查德·费曼的名言“底部有足够的空间”，这一突破与探索和操纵纳米级物质的愿景相一致。比尔肯特大学团队开发的创新技术突破了目前的限制，能够以前所未有的控制方式控制制造埋藏在硅晶片深处的纳米结构。

该团队解决了晶圆内部复杂光学效应和激光固有衍射极限的双重挑战。他们通过使用一种特殊类型的激光脉冲(由一种称为空间光调制的方法创建)克服了这些问题。光束的非衍射特性克服了光学散射效应，这种效应以前阻碍了精确的能量沉积，导致晶圆内部产生极小的局部空隙。

这个过程之后会产生一种新兴的种子效应，其中预先形成的地下纳米空隙会在其周围建立强大的场增强。这种新的制造方法标志着比最先进的方法提高了一个数量级，实现了低至 100 纳米的特征尺寸。

“我们的方法是基于将激光脉冲的能量局限在半导体材料中一个非常小的体积内，这样就可以利用类似于等离子体中的场增强效应。这可以直接在材料内部实现亚波长和多维控制，”托克尔教授解释说。“我们现在可以制造埋在硅中的纳米光子元件，例如具有高衍射效率甚至光谱控制的纳米光栅。”

研究人员使用了空间调制的激光脉冲，从技术上讲，这相当于贝塞尔函数。这种特殊的激光束采用先进的全息投影技术，具有非衍射特性，能够实现精确的能量定位。这反过来又会产生足够高的温度和压力值，足以在小体积内改变材料。

值得注意的是，由此产生的场增强一旦建立，就会通过播种型机制自我维持。简而言之，早期纳米结构的创建有助于制造后期纳米结构。使用激光偏振可以对纳米结构的排列和对称性进行额外的控制，从而能够以高精度创建多样化的纳米阵列。

“通过利用激光材料相互作用系统中的各向异性反馈机制，我们实现了硅中的偏振控制纳米光刻技术，”该研究的第一作者 Asgari Sabet 博士说。“这种能力使我们能够在纳米尺度上引导纳米结构的排列和对称性。”

研究团队展示了具有超越衍射极限特征的大面积体积纳米结构，从而实现了概念验证的埋藏纳米光子元件。这些进展对于开发具有独特架构的纳米级系统具有重要意义。

托克尔说：“我们相信，在最重要的技术材料中，新兴的设计自由将在电子和光子学领域找到令人兴奋的应用。超越衍射极限的特征和多维控制意味着未来的进步，例如超表面、超材料、光子晶体、众多信息处理应用，甚至 3D 集成电子光子系统。”

“我们的研究成果为硅引入了一种新的制造范式，”托克尔教授总结道，“在硅内部直接进行纳米级制造的能力开辟了新领域，朝着进一步集成和先进光子学的方向发展。我们现在可以开始思考在硅中进行完整的三维纳米制造是否可行。我们的研究是朝着这个方向迈出的第一步。”

除了 Sabet 和 Tokel，研究团队还包括 Aqiq Ishraq、Alperen Saltik 和 Mehmet Bütün，他们都隶属于比尔肯特大学物理系和国家纳米技术研究中心。他们的专业知识涵盖光学、材料科学和纳米技术等多个领域。