Forskare vid Eindhovens tekniska universitet har utvecklat en ny, integrerad optisk sensor som ger ökad upplösning i mätningar och banar väg för helt integrerade och kompakta optiska sensorer inklusive lasrar och detektorer för on-chip avkänningsplattformar. Sådana sensorer kan spela en avgörande roll i exakta förskjutnings- och kraftmätningar på nanoskala, vilket är avgörande för design och utvärdering av mikrochip och nanoenheter. Denna forskning har publicerats i Naturkommunikation .

I nanoelektronikens tid, precision är dagens ordning. Till exempel, nanostrukturer kan övervakas med nanooptisk instrumentering – små, ljusbaserade system som mäter de minsta ytvariationerna, krafter och rörelser. Eftersom upplösning och hastighet är avgörande, optiska avläsningssensorer baserade på optomekaniska system används ofta i avkänningstillämpningar såsom i atomkraftmikroskop (AFM). Dessa enheter genererar bilder med subnanometerupplösning genom att mäta laserljuset som reflekteras av avböjningen av en fribärare över en yta av intresse.

Dock, traditionella laserbaserade tillvägagångssätt som de i AFM kan vara skrymmande, vilket tillsammans med kravet på lägre kostnader och högre upplösning, motiverar behovet av ett alternativt tillvägagångssätt. Tack vare utvecklingen inom nano-optomekaniska system (NOMS), kompakta optiska sensorer för mätning av rörelse, tvinga, och massa på nanoskala kan uppnås. En begränsande faktor är dock behovet av en avstämbar laser med en smal linjebredd, vilket kan vara svårt att integrera på en enhet.

För att kringgå detta problem, Tianran Liu, Andrea Fiore, och kollegor från Institutet för fotonisk integration vid TU/e ​​designade en ny optomekanisk anordning med en upplösning på 45 femtometer (vilket är ungefär 1/1000 av storleken på den minsta atomen) på en mättid på en bråkdel av en sekund. Avgörande, enheten har en ultrabred optisk bandbredd på 80 nm, tar bort kravet på en avstämbar laser.

Vågledare och stort våglängdsområde

Sensorn är baserad på en indiumfosfid (InP) membran-på-kisel (IMOS) plattform, som är idealisk för att inkludera passiva komponenter som lasrar eller detektorer. Själva sensorn består av fyra vågledare - strukturer som begränsar ljussignaler till en viss väg och riktning - med två vågledare hängande ovanför två utgående vågledare. När en upphängd vågledare skjuts mot utgångsvågledarna på InP-membranet, den relativa mängden signal som bärs av de utgående vågledarna varierar. Tillverkning sker via en serie litografisteg för att definiera vågledarna och fribäraren, och den slutliga sensorn består av givarna, ställdon, och fotodioder.

En av de viktigaste fördelarna med denna sensor är att den fungerar i ett stort antal våglängder, vilket eliminerar behovet av en dyr laser på enheten. När det gäller fribärande avböjning, sensorn replikerar också upplösningen för konsoler i traditionella, men skrymmande AFM. Genom att använda den här nya enheten som grund, forskarna planerar att utveckla ett helt "nanometrologilabb" integrerat på ett chip som kan användas för halvledarmätning och hjälpa till med utformningen av nästa generation av mikrochips och nanoelektronik.