научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

МЕДНАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

Медные компоненты не только не уступают аналогам на благородных металлах

Исследователи из Московского физико-технического института впервые экспериментально продемонстрировали, что нанофотонные компоненты на основе меди могут успешно работать в фотонных устройствах. Ранее считалось, что необходимыми для этого свойствами обладают только компоненты на основе золота и серебра. Медные компоненты не только не уступают аналогам на благородных металлах, но и, в отличие от них, легко интегрируются в микросхемы в стандартном технологическом процессе. "Это своего рода революция – использование меди решает одну из главных проблем нанофотоники как таковой", - говорят авторы работы. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале NanoLetters.

РЕВОЛЮЦИОННОЕ ДЛЯ ФОТОНИКИ И КОМПЬЮТЕРОВ БУДУЩЕГО ОТКРЫТИЕ сделали исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ. Им впервые удалось произвести нанофотонные компоненты на основе меди, которые по своим характеристикам не уступают аналогам из золота. Примечательно, что медные компоненты были произведены учеными в рамках стандартного технологического процесса, используемого для производства большинства современных микросхем. Это означает, что именно медные нанофотонные компоненты смогут в самом ближайшем будущем стать основой для энергоэффективных источников излучения, сверхчувствительных сенсоров и датчиков, а также высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, работающих на нескольких тысячах ядер.

Открытие было сделано в рамках нанофотоники – области исследований, работающей в том числе над тем, чтобы заменить существующие в вычислительных устройствах компоненты на более совершенные за счет использования фотонов вместо электронов. Однако, в то время как основной компонент современной электроники, транзистор, может быть уменьшен до нескольких единиц нанометров, дифракция света ограничивает минимальные размеры фотонных компонентов величиной, приблизительно равной длине волны света (порядка 1 микрометра). Несмотря на фундаментальность этого дифракционного предела, его возможно преодолеть, используя металл-диэлектрические структуры, и создать действительно наноразмерные фотонные компоненты. Во-первых, большинство металлов обладают отрицательной диэлектрической проницаемостью на оптических частотах, и свет не может в них распространяться, проникая на глубину всего лишь около 25 нанометров. Во-вторых, свет может быть преобразован в поверхностные плазмон-поляритоны, поверхностные волны, распространяющиеся вдоль поверхности металла. Таким образом, становится возможным перейти от привычной трехмерной к фактически двухмерной фотонике на основе поверхностных плазмонов, известной как плазмоника, и управлять светом уже на масштабах порядка 100 нанометров, т.е. далеко за дифракционным пределом.

РАНЕЕ СЧИТАЛОСЬ, ЧТО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТИВНЫХ ФОТОННЫХ МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР могут использоваться только два металла: золото и серебро, в то время как все остальные металлы характеризуются настолько большим поглощением, что не могут быть альтернативой этим двум материалам. Однако на практике создавать компоненты на основе золота и серебра не представляется возможным, потому что оба металла, будучи "благородными", практически не вступают в химические реакции, а значит, из них крайне трудно, дорого и в большинстве случаев просто невозможно создавать наноструктуры – основу современной фотоники.

На основании обобщения теории для плазмонных металлов исследователи еще в 2012 году выяснили, что медь как оптический материал может не только составить конкуренцию золоту, но и превзойти его. В отличие от золота, медь можно довольно легко структурировать, используя жидкостное или плазменное травление, и создавать на ее основе наноразмерные компоненты, которые легко интегрируются в фотонные или электронные интегральные схемы на основе кремния. "В результате нам удалось создать медные чипы, оптические свойства которых ни в чем не уступают золотым аналогам, – говорит руководитель исследования Дмитрий Федянин. - Более того, мы добились этого в производственном цикле, совместимом с КМОП-технологией, которая является основой всех современных интегральных схем, включая микропроцессоры. Это своего рода революция в нанофотонике".

Исследователи отмечают, что оптические свойства тонких поликристаллических медных пленок определяются их внутренней структурой и умение управлять этой структурой, достигать и повторяемо воспроизводить необходимые параметры в технологических циклах – наиболее трудная задача. Однако им удалось ее решить. "Мы провели эллипсометрию медных пленок, а затем подтвердили полученные результаты с помощью ближнепольной оптической микроскопии наноструктур. Это доказывает, что свойства меди не ухудшаются в ходе всего процесса изготовления наноразмерных плазмонных компонентов", - говорит Дмитрий Федянин.

Эти исследования создают фундамент для начала практического использования медных нанофотонных и плазмонных компонентов, которые уже в ближайшем будущем будут использованы при создании светодиодов, нанолазеров, высокочувствительных сенсоров и датчиков для мобильных устройств, высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, насчитывающих до нескольких десятков тысяч ядер, для видеокарт, персональных компьютеров и суперкомпьютеров.

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 819 раз
Оцените материал
(0 голосов)

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх