Zelfgebouwde Bowtie-resonatoren overbruggen de kloof tussen nanoscopisch en macroscopisch

Een centraal doel in de kwantumoptica en fotonica is het vergroten van de kracht van de interactie tussen licht en materie om bijvoorbeeld betere fotodetectoren of kwantumlichtbronnen te produceren. De beste manier om dat te doen is door optische resonatoren te gebruiken die licht lange tijd opslaan, waardoor het sterker met materie interageert. Als de resonator ook erg klein is, zodat licht in een klein deel van de ruimte wordt geperst, wordt de interactie nog verder verbeterd. De ideale resonator zou licht lange tijd opslaan in een gebied ter grootte van een enkel atoom.

Natuurkundigen en ingenieurs worstelen al tientallen jaren met de vraag hoe kleine optische resonatoren kunnen worden gemaakt zonder dat ze veel verlies lijden, wat gelijk staat aan de vraag hoe klein je een halfgeleiderapparaat kunt maken. De routekaart van de halfgeleiderindustrie voor de komende vijftien jaar voorspelt dat de kleinst mogelijke breedte van een halfgeleiderstructuur maar liefst 8 nm zal zijn, wat neerkomt op enkele tientallen atomen breed.

Het team achter een nieuw artikel, universitair hoofddocent Søren Stobbe en zijn collega’s bij DTU Electro, demonstreerden vorig jaar holtes van 8 nm, maar nu stellen en demonstreren ze een nieuwe aanpak voor om een ​​zelfassemblerende holte te vervaardigen met een luchtholte op de schaal van een weinig atomen. Hun artikel, “Zelf-geassembleerde fotonische holten met opsluiting op atomaire schaal”, waarin de resultaten worden beschreven, is gepubliceerd in Natuur.

Om het experiment kort uit te leggen, worden twee helften van siliciumstructuren aan veren opgehangen, hoewel in de eerste stap het siliciumapparaat stevig aan een laag glas wordt bevestigd. De apparaten zijn gemaakt met conventionele halfgeleidertechnologie, dus de twee helften liggen enkele tientallen nanometers uit elkaar.

Bij het selectief etsen van het glas komt de structuur vrij en wordt nu alleen nog maar opgehangen door de veren, en omdat de twee helften zo dicht bij elkaar zijn vervaardigd, trekken ze elkaar aan als gevolg van oppervlaktekrachten. Door het ontwerp van de siliciumstructuren zorgvuldig te ontwerpen, is het resultaat een zelf-geassembleerde resonator met vlinderdasvormige openingen op atomaire schaal omgeven door siliciumspiegels.

“We zijn verre van een circuit dat zichzelf volledig opbouwt. Maar we zijn erin geslaagd twee benaderingen die tot nu toe langs parallelle sporen zijn gegaan, samen te brengen. En het stelde ons in staat een siliciumresonator te bouwen met een ongekende miniaturisatie”, zegt Søren Stobbe.

Twee afzonderlijke benaderingen

Eén benadering – de top-down benadering – ligt ten grondslag aan de spectaculaire ontwikkeling die we hebben gezien met op silicium gebaseerde halfgeleidertechnologieën. Grof gezegd ga je uit van een siliciumblok en werk je eraan om er nanostructuren van te maken. Bij de andere benadering – de bottom-up benadering – probeer je een nanotechnologisch systeem zichzelf in elkaar te laten zetten. Het heeft tot doel biologische systemen na te bootsen, zoals planten of dieren, gebouwd door middel van biologische of chemische processen.

Deze twee benaderingen vormen de kern van wat nanotechnologie definieert. Maar het probleem is dat deze twee benaderingen tot nu toe niet met elkaar verbonden waren: halfgeleiders zijn schaalbaar maar kunnen de atomaire schaal niet bereiken, en hoewel zelf-geassembleerde structuren al lang op atomaire schaal opereren, bieden ze geen architectuur voor de verbindingen met de buitenwereld.

“Het interessante zou zijn als we een elektronisch circuit zouden kunnen produceren dat zichzelf bouwt – net zoals wat er gebeurt met mensen terwijl ze groeien, maar dan met anorganische halfgeleidermaterialen. Dat zou echte hiërarchische zelfassemblage zijn”, zegt Guillermo Arregui, die mede-supervisor was van het project.

“We gebruiken het nieuwe zelfassemblageconcept voor fotonische resonatoren, die kunnen worden gebruikt in elektronica, nanorobotica, sensoren, kwantumtechnologieën en nog veel meer. Dan zouden we echt het volledige potentieel van nanotechnologie kunnen benutten. De onderzoeksgemeenschap is Er zijn nog veel doorbraken verwijderd van het realiseren van die visie, maar ik hoop dat we de eerste stappen hebben gezet.”

Benaderingen convergeren

Ervan uitgaande dat een combinatie van de twee benaderingen mogelijk is, wilde het team van DTU Electro nanostructuren creëren die de grenzen van conventionele lithografie en etsen overstijgen, ondanks het gebruik van niets anders dan conventionele lithografie en etsen. Hun idee was om twee oppervlaktekrachten te gebruiken, namelijk de Casimir-kracht om de twee helften aan te trekken en de van der Waals-kracht om ze aan elkaar te laten plakken. Deze twee krachten zijn geworteld in hetzelfde onderliggende effect: kwantumfluctuaties.

De onderzoekers maakten fotonische holtes die fotonen beperken tot luchtspleten die zo klein zijn dat het bepalen van de exacte grootte ervan onmogelijk was, zelfs met een transmissie-elektronenmicroscoop. Maar de kleinste die ze hebben gebouwd, hebben een grootte van 1 à 3 siliciumatomen.

“Zelfs als de zelfassemblage ervoor zorgt dat deze extreme afmetingen worden bereikt, zijn de vereisten voor de nanofabricage niet minder extreem. Structurele onvolkomenheden bevinden zich bijvoorbeeld doorgaans op de schaal van enkele nanometers. Maar als er defecten op deze schaal zijn, de twee helften zullen elkaar alleen ontmoeten en elkaar raken bij de drie grootste defecten. We verleggen hier echt de grenzen, ook al maken we onze apparaten in een van de allerbeste universitaire cleanrooms ter wereld”, zegt Ali Nawaz Babar, een Ph.D. student aan het NanoPhoton Center of Excellence bij DTU Electro en eerste auteur van het nieuwe artikel.

“Het voordeel van zelfmontage is dat je kleine dingen kunt maken. Je kunt unieke materialen bouwen met verbazingwekkende eigenschappen. Maar tegenwoordig kun je het niet gebruiken voor alles wat je op een stopcontact aansluit. Je kunt het niet aansluiten op de Je hebt dus alle gebruikelijke halfgeleidertechnologie nodig om de draden of golfgeleiders te maken die alles wat je zelf hebt geassembleerd met de buitenwereld verbinden.’

Robuuste en nauwkeurige zelfmontage

Het artikel toont een mogelijke manier om de twee nanotechnologiebenaderingen met elkaar te verbinden door gebruik te maken van een nieuwe generatie fabricagetechnologie die de atomaire dimensies die mogelijk worden gemaakt door zelfassemblage combineert met de schaalbaarheid van halfgeleiders die met conventionele methoden zijn vervaardigd.

“We hoeven niet naar binnen te gaan om deze holtes achteraf te vinden en ze in een andere chiparchitectuur te plaatsen. Dat zou ook onmogelijk zijn vanwege het kleine formaat. Met andere woorden, we bouwen iets op de schaal van een atoom dat al in de chip zit. een macroscopisch circuit. We zijn erg enthousiast over deze nieuwe onderzoekslijn en er is nog veel werk te doen”, zegt Søren Stobbe.