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，传统上仅限于表面纳米制造。现有的方法要么无法在不引起改变的情况下穿透晶片表面，要么受到硅内激光光刻的微米级分辨率的限制。

本着理查德·费曼的名言“底部有足够的空间”的精神，这一突破与在纳米级探索和操纵物质的愿景相一致。比尔肯特大学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来控制埋在硅片深处的纳米结构的制造

这项工作发表在《自然通讯》上

该团队解决了晶片内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来克服这些问题，这种脉冲是通过一种称为空间光调制的方法产生的。光束的无衍射特性克服了之前阻碍精确能量沉积的光学散射效应，在晶片内产生了极小的局部空隙

这一过程之后是紧急种子效应，其中预先形成的地下纳米空隙在其邻近区域周围建立了强大的场增强。这种新的制造制度标志着比最先进的技术进步了一个数量级，实现了低至100nm的特征尺寸

Tokel教授解释说：“我们的方法基于将半导体材料内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激元技术的新兴场增强效应。这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，在技术上对应于贝塞尔函数。这种特殊激光束的无衍射特性是通过先进的全息投影技术产生的，能够实现精确的能量定位。这反过来又导致高温和压力值足以在小体积内改变材料

值得注意的是，一旦建立，由此产生的田间增强就会通过播种型机制来维持。简单地说，早期纳米结构的创建有助于制造后来的纳米结构。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

“通过利用激光材料相互作用系统中发现的各向异性反馈机制，我们在硅中实现了偏振控制纳米光刻，”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指导纳米结构的排列和对称性。”

研究小组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兴的设计自由将在电子和光子学中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，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。”

“我们的发现为硅引入了一种新的制造范式，”Tokel教授总结道，“直接在硅内进行纳米级制造的能力为进一步的集成和先进的光子学开辟了一个新的局面。我们现在可以开始问是否有可能在硅中完成三维纳米制造。我们的研究是朝着这个方向迈出的第一步。”除Sabet和Tokel外，研究团队还包括Aqiq Ishraq、Alperen Saltik和Meh。与Bütün会面，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了各个领域，包括光学、材料科学和纳米技术 More information: Laser nanofabrication inside silicon with spatial beam modulation and anisotropic seeding, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-49303-z. www.nature.com/articles/s41467-024-49303-z

Journal information: Nature Communications