激光纳米加工的突破性进展

一种新方法利用空间光调制和激光脉冲在硅内部实现了精确的纳米制造，创造出先进的纳米结构，有望用于电子学和光子学领域。

硅是现代电子学、光伏学和光子学的基石，由于现有光刻技术带来的挑战，传统上仅限于表面级纳米制造。现有的方法要么无法穿透晶片表面而不造成改变，要么受限于硅激光光刻技术的微米级分辨率。

Richard Feynman有一句名言："底层大有可为（There’s plenty of room at the bottom）“，这一突破与在纳米尺度上探索和操纵物质的愿景不谋而合。Bilkent团队开发的创新技术超越了目前的限制，能够以前所未有的控制方式控制制造深埋在硅片内部的纳米结构。

纳米级制造的突破

该团队解决了硅片内部复杂光学效应和激光固有衍射极限的双重挑战。他们采用了一种特殊的激光脉冲，通过一种称为空间光调制的方法产生了这种激光脉冲，从而克服了这些难题。光束的非衍射特性克服了以前阻碍精确能量沉积的光学散射效应，从而在晶片内部产生极小的局部空隙。在这一过程之后，会产生一种新兴的播种效应，即预先形成的表面下纳米空洞会在其邻近周围形成强大的场增强效应。这一新的制造机制比最先进的技术提高了一个数量级，可实现小至 100 纳米的特征尺寸。

图片:搜狗截图20240716224408.png

硅片内部多维激光纳米光刻概念

先进的纳米光刻激光技术

Tokel 教授解释道："我们的方法基于将半导体材料中的激光脉冲能量定位到极小的体积，这样就可以利用类似于等离子体学中的新兴场增强效应。这样就可以直接在材料内部实现亚波长和多维控制。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和甚至光谱控制能力的纳米光栅。“

图片:41467_2024_49303_Fig2_HTML.png

采用调制光束的纳米光刻技术

通过激光偏振加强纳米制造

研究人员使用了空间调制激光脉冲，在技术上相当于贝塞尔函数。利用先进的全息投影技术产生的这种特殊激光束的非衍射特性可实现精确的能量定位。这反过来又导致了足以在小体积内改变材料的高温和高压值。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，早期纳米结构的产生有助于后期纳米结构的制造。激光偏振的使用为纳米结构的排列和对称性提供了额外的控制，从而能够高精度地创建各种纳米阵列。

图片:41467_2024_49303_Fig3_HTML.png

偏振加强纳米加工

该研究的第一作者Asgari Sabet博士说："通过利用激光与材料相互作用系统中的各向异性反馈机制，我们在硅中实现了偏振控制的纳米光刻技术。这种能力使我们能够在纳米尺度上指导纳米结构的排列和对称。”

未来影响与应用

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，实现了概念验证的埋入式纳米光子元件。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。Tokel说："我们相信，可以说是最重要的技术材料中新出现的设计自由度将在电子学和光子学中找到令人兴奋的应用。超衍射极限特性和多维控制意味着未来的进步，如超表面、超材料、光子晶体、众多信息处理应用，甚至三维集成电子光子系统。"

Tokel教授总结道："我们的发现为硅引入了一种新的制造模式，直接在硅内部进行纳米级制造的能力开辟了一个新的领域，即进一步集成和先进的光子学。我们现在可以开始考虑是否有可能在硅中实现完整的三维纳米制造。我们的研究就是朝着这个方向迈出的第一步。“

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49303-z