Forskare från Moskvas institut för fysik och teknik (MIPT) har för första gången experimentellt visat att nanofotoniska kopparkomponenter kan fungera framgångsrikt i fotoniska enheter – man trodde tidigare att endast guld- och silverkomponenter kunde göra det. Kopparkomponenter är inte bara lika bra som komponenter baserade på ädelmetaller; de kan också enkelt implementeras i integrerade kretsar med industristandardiserade tillverkningsprocesser. "Det här är en slags revolution - att använda koppar kommer att lösa ett av huvudproblemen inom nanofotonik, " säger författarna till tidningen. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nanobokstäver .

Upptäckten, som är revolutionerande för fotonik och framtidens datorer, gjordes av forskare från Laboratory of Nanooptics and Plasmonics vid MIPT:s Center of Nanoscale Optoelectronics. De har lyckats, för första gången, vid framställning av nanofotoniska kopparkomponenter, vars egenskaper är lika bra som hos guldkomponenter. Det är intressant att notera att forskarna tillverkade kopparkomponenterna med en process som är kompatibel med industristandard tillverkningsteknik som används idag för att producera moderna integrerade kretsar. Det betyder att nanofotonkomponenter i koppar inom en mycket nära framtid kommer att utgöra en grund för utvecklingen av energieffektiva ljuskällor, ultrakänsliga sensorer, samt högpresterande optoelektroniska processorer med flera tusen kärnor.

Upptäckten gjordes under det som kallas nanofotonik – en forskningsgren som syftar till att bland annat, att ersätta befintliga komponenter i databehandlingsenheter med modernare komponenter genom att använda fotoner istället för elektroner. Dock, medan transistorer kan skalas ner i storlek till några nanometer, ljusets diffraktion begränsar minimidimensionerna för fotoniska komponenter till storleken på ungefär ljusets våglängd (~1 mikrometer). Trots den grundläggande karaktären hos denna så kallade diffraktionsgräns, man kan övervinna det genom att använda metall-dielektriska strukturer för att skapa fotoniska komponenter i verkligt nanoskala. För det första, de flesta metaller visar en negativ permittivitet vid optiska frekvenser, och ljus kan inte fortplanta sig genom dem, penetrerar till ett djup av endast 25 nanometer. För det andra, ljus kan omvandlas till ytplasmonpolaritoner, ytvågor som utbreder sig längs ytan av en metall. Detta gör det möjligt att byta från konventionell 3D-fotonik till 2D-ytplasmonfotonik, som är känt som plasmonics. Detta ger möjlighet att styra ljuset i en skala av cirka 100 nanometer, dvs. långt över diffraktionsgränsen.

Man trodde tidigare att endast två metaller – guld och silver – kunde användas för att bygga effektiva nanofotoniska metall-dielektriska nanostrukturer och man trodde också att inga andra metaller kunde ersätta dessa två material, eftersom de uppvisar stark absorption. Dock, i praktiken, att skapa komponenter med guld och silver är inte möjligt eftersom dessa metaller, båda ädla, inte ingå i kemiska reaktioner, och det är därför extremt svårt, dyra och i många fall omöjliga att använda dem för att skapa nanostrukturer – grunden för modern fotonik.

Forskare från MIPT:s Laboratory of Nanooptics and Plasmonics har hittat en lösning på problemet. Baserat på en generalisering av teorin för så kallade plasmoniska metaller, under 2012, de fann att koppar som optiskt material inte bara kan konkurrera med guld, det kan också vara ett bättre alternativ. Till skillnad från guld, koppar kan enkelt struktureras med våt- eller torretsning. Detta ger möjlighet att tillverka komponenter i nanoskala som enkelt integreras i kiselfotoniska eller elektroniska integrerade kretsar. Det tog mer än två år för forskarna att köpa den nödvändiga utrustningen, utveckla tillverkningsprocessen, producera prover, utföra flera oberoende mätningar, och bekräfta denna hypotes experimentellt. "Som ett resultat, vi lyckades tillverka kopparchips med optiska egenskaper som inte på något sätt är sämre än guldbaserade chips, " säger forskningsledaren Dmitry Fedyanin. "Dessutom, vi lyckades göra detta i en tillverkningsprocess som är kompatibel med CMOS-tekniken, som är grunden för alla moderna integrerade kretsar, inklusive mikroprocessorer. Det är en slags revolution inom nanofotonik”.

Forskarna noterar att de optiska egenskaperna hos tunna polykristallina kopparfilmer bestäms av deras inre struktur. Förmågan att kontrollera denna struktur och konsekvent reproducera de nödvändiga parametrarna i tekniska cykler är den svåraste uppgiften. Dock, de har lyckats lösa detta problem, visar att det inte bara är möjligt att uppnå de erforderliga egenskaperna med koppar, men också att detta kan göras i komponenter i nanoskala, som kan integreras med kisel nanoelektronik och kisel nanofotonik. "Vi genomförde ellipsometri av kopparfilmerna och bekräftade sedan dessa resultat med hjälp av optisk mikroskopi med närfältsskanning av nanostrukturerna. Detta bevisar att koppars egenskaper inte försämras under hela processen med att tillverka plasmoniska komponenter i nanoskala, " säger Dmitry Fedyanin.

Dessa studier ger en grund för den praktiska användningen av nanofotoniska och plasmoniska kopparkomponenter, som inom en mycket nära framtid kommer att användas för att skapa lysdioder, nanolaser, mycket känsliga sensorer och givare för mobila enheter, och högpresterande optoelektroniska processorer med flera tiotusentals kärnor för grafikkort, personliga datorer, och superdatorer.