(Phys.org)—Det har tagit mer än 20 år, men forskare har för första gången visat att femtosekundlasrar kan användas för att strukturellt manipulera bulkkisel för högprecisionstillämpningar. Sedan slutet av 90-talet, forskare har använt de ultrakorta pulserna från femtosekundlasrar för att skriva in bulkmaterial med breda bandgap, som vanligtvis är isolatorer. Men tills nu, exakt ultrasnabb laserskrivning har inte varit möjlig för material med smala bandgap, såsom kisel och andra halvledare.

Forskarna förväntar sig att resultaten kommer att öppna dörrarna till 3D-laserskrivning för kiselfotonikapplikationer, samt för att studera ny fysik i halvledare.

Forskarna, Margaux Chanal et al., från institut i Frankrike, Qatar, Ryssland, och Grekland, har publicerat sin artikel "Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon" i ett färskt nummer av Naturkommunikation .

I tidigare försök med ultrasnabb laserskrivning i bulksilikon, forskare fann att femtosekundlasrar helt enkelt inte var kapabla att strukturellt manipulera kiselmassan, även när laserenergin ökades till högsta pulsintensitet tekniskt möjligt.

I den nya studien, forskarna fann att Lyckligtvis, det finns ingen fysisk gräns som förhindrar ultrasnabba laserinducerade strukturella manipulationer av bulkkisel. Istället, de fann att laserenergin måste levereras i mediet på ett abrupt sätt för att minimera förluster från olinjär absorption. Detta fynd avslöjade att problemet med alla tidigare ansträngningar uppstod från laserns lilla numeriska bländare (NA), som hänvisar till intervallet av vinklar över vilka fokuserat laserljus kan levereras. Forskarna beräknade att för att uppnå önskat resultat, det skulle vara nödvändigt att få fram extrema NA-värden som hittills inte har realiserats på detta område.

För att nå dessa extrema NA-värden, forskarna lånade en teknik från avancerad mikroskopi som kallas solid-immersion mikroskopi. Idén liknar den vanliga vätskedoppmikroskopin, där en liten droppe olja placeras på objektglaset. Eftersom olja har ett större brytningsindex än luft, oljan minskar mängden optisk refraktion (ljusböjning) när ljuset färdas mellan objektglaset och mikroskoplinsen. Detta, i tur och ordning, ökar NA och det associerade mikroskopets upplösning (NA för ett mikroskop mäter intervallet av vinklar över vilka ljus samlas i stället för att levereras). Skillnaden med solid-immersion mikroskopi är att ett fast material med ett högt brytningsindex används istället för en vätska.

I den nya studien, forskarna använde kiselkulor som medium för fast nedsänkning. De fann att, när du fokuserar lasern i mitten av en sfär, de kunde helt undertrycka refraktion och kraftigt öka NA. De extrema NA-värdena gjorde det möjligt för laserpulserna att uppnå tillräcklig jonisering för att bryta kemiska bindningar i kislet, vilket i sin tur orsakar permanenta strukturella förändringar i materialet.

"Den djupgående förståelsen av fysiken för interaktion och utbredning av ultrakorta laserpulser i halvledare med låga bandgap, som kisel, gjorde det möjligt för oss att lösa detta långvariga problem och uppnå kontrollerade materialstrukturella modifieringar, lämplig för applikationer, "medförfattare Stelios Tzortzakis, vid Texas A&M University i Qatar, VIDARE, och universitetet på Kreta i Grekland, berättade Phys.org . "Ännu mer, den lokala energidepositionen i mediet resulterar i faser som inte är i jämvikt med extrema termiska och tryckgradienter som kan möjliggöra skapandet och studien av nya materiatillstånd, tidigare oåtkomligt i laboratoriemiljöer."

I framtiden, forskarna planerar att ytterligare tänja på gränserna för detta tillvägagångssätt genom att låna en annan mikroskopiteknik som kallas 4-Pi-arrangemang. Detta koncept involverar korsning av flera laserpulser med extrema NA-värden i sfärernas centrum, vilket kan leda till ännu större möjligheter inom ultrasnabb laserskrivning i bulksilikon och andra halvledare.

"3D-laserskrivning tillämplig på kisel kan drastiskt förändra hur saker designas och tillverkas inom det viktiga området kiselfotonik, " sa medförfattare David Grojo vid CNRS/Aix-Marseille University i Frankrike. "Kiselfotonik ses som nästa revolution inom mikroelektronik som använder ljus på chipsnivå för databehandling med högsta hastighet. Dock, det förblir idag en 2D-värld på grund av de plana litografiska metoderna som används för tillverkning (SOI-teknik). Med vår metod kan vi föreställa oss motsvarigheten till en 3D-skrivare för snabb prototypframställning av vilken innovativ arkitektur som helst. Detta kommer att göra det möjligt för kiselfotonikspecialister att designa saker i 3D som måste representera en verklig booster för uppkomsten av störande teknologier och nya koncept."

© 2017 Phys.org