هل نيوبات الليثيوم مستقبل محتمل للإلكترونيات الضوئية؟

عالمنا مليء بمجموعة متنوعة من المواد والمواد والمركبات الكيميائية ، إلخ. كل منها له خصائصه الخاصة ، وعيوبه ومزاياه. يقضي العديد من العلماء سنوات في محاولة تخليص مادة معينة أو مركب كيميائي من العيوب ، وبالتالي تحسين جودتها ، والتي بدورها توسع نطاق التطبيقات الممكنة. هذا ما يفعله الباحثون في جامعة هارفارد. أصبحت "التجارب" الخاصة بهم مركبًا غير عادي للغاية - نيوبات الليثيوم. ما الذي فعله العلماء بالضبط وما النتائج التي حصلوا عليها؟ دعنا نكتشف. دعنا نذهب.

"الموضوع": ماذا وكيف ولماذا؟

أساس البحث كان نيوبات الليثيوم. هذا مركب كيميائي بلوري خامل كيميائيًا وله خصائص بصرية مدهشة للغاية. يتكون نيوبيات الليثيوم عن طريق الجمع بين أكسيد النيوبيوم وكربونات الليثيوم عند درجة حرارة حوالي 1100 درجة مئوية. في هذه الحالة ، يتم استخدام طريقة Czochralski.


التمثيل التخطيطي لنمو البلورة بطريقة Czochralski

ما المميز في هذا المركب؟ كما ذكرنا سابقًا ، هذه هي خصائصها البصرية. والحقيقة هي أن بلورات الليثيوم نيوبات شفافة بصريًا في نطاق الطول الموجي من 0.4-5.0 ميكرومتر ، ومؤشر الانكسار لحزمة عادية هو 2.29 ، و 2.20 استثنائي. بسبب هذه الخصائص ، وجد هذا المركب الكيميائي تطبيقه في العديد من الأجهزة ، بدءًا من الهواتف المحمولة إلى المعدلات البصرية.


هيكل النيوبات الليثيوم

الفرق بين السيليكون والمشاكل المرتبطة به

عندما نتحدث عن الإلكترونيات ، فإن أول عنصر كيميائي يتبادر إلى الذهن هو السيليكون. يستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات ، بما في ذلك الإلكترونيات الضوئية. اختلافه الرئيسي عن النيوبيات الليثيوم هو سهولة الحفر الكيميائي. تُستخدم عملية المعالجة هذه لإنشاء هياكل بحجم النانومتر ، مثل أدلة الموجات. نيوبات الليثيوم ، بدورها ، ليست قابلة لمثل هذه المعالجة.


التمثيل التخطيطي لعملية الحفر الكيميائي

كانت هناك محاولات لإنشاء أدلة الموجة على أساس الليثيوم نيوبات باستخدام نشر الأيونات وتبادل البروتون. ومع ذلك ، ونتيجة لذلك ، كان تباين المؤشر البصري بين الدليل الموجي ومادة الجسم منخفضًا جدًا. ويجب أن يكون مختلفًا ، لأنه كلما كان هذا المؤشر أعلى ، كلما كان الضوء سينتشر بشكل أفضل من خلال أدلة الموجة المحفورة في نيوبيات الليثيوم ، والتي ستستفيد بشكل كامل من الخصائص البصرية للمادة.

يعتقد بعض الباحثين أن هذه المشكلة يمكن حلها عن طريق التهجين. أدلة الموجات المحفورة على سطح السليكون ضوء مباشر من خلال الليثيوم نيوبات ، حيث تستغل شفافية المادة وخصائصها البصرية غير الخطية. هذه الطريقة فعالة للغاية ، ولكنها غير فعالة ، حيث تبين أن العلاقة بين الضوء الذي يمر عبر موجهات السليكون ونيوبات الليثيوم كانت ضعيفة جدًا.

طريقة جديدة مباشرة من جامعة هارفارد

دفع تعقيد العمل بمواد مثل الليثيوم نيوبات الباحثين من جامعة هارفارد لاكتشاف طريقة حفر جديدة. وهي النقش الأيوني التفاعلي بالبلازما.

خلال هذه العملية ، يتم قصف سطح البلورة (في هذه الحالة ، نيوبات الليثيوم) بالأيونات. في هذه الحالة ، تتم إزالة المناطق التي يتعرض لها القناع الضوئي أثناء تفاعل الأيونات مع الذرات على سطح الشريحة.

ماركو لونشار ، رئيس الأبحاث ، يتحدث ، ليس بدون روح الدعابة ، عن نيوبيات الليثيوم مثل هذا:

على مر السنين ، كنا نتعامل مع العديد من المواد ذات الخصائص الجيدة ، ولكن من الصعب العمل معها. واحدة من هذه المواد هي الماس. في الواقع ، من الأسهل حفر الماس على الليثيوم نيوبات ، لكنه لا يوجد على شكل أغشية رقيقة (طبقات رقيقة من المواد ، من أجزاء نانومتر إلى عدة ميكرونات).

الكلمات كلمات ، لكن أي بحث يتطلب أدلة مادية. على هذا النحو ، تم إنشاء microring وعدة نطاقات ، كان عرضها حوالي 1 ميكرومتر ، وكان نصف قطر الحلقة 80 ميكرومتر.

يمكن وصف عملية إنشاء هذا العلاج الدقيق في 3 خطوات:

أنا خطوة - تم حفر عينات الدليل الموجي على طبقة مقاوم الضوء باستخدام الطباعة الحجرية شعاع الإلكترون.
الخطوة الثانية - تم تطبيق النموذج الناتج على فيلم من نيوبات الليثيوم من أجل حماية المناطق الضرورية من المعالجة الإضافية ؛
الخطوة الثالثة - باستخدام حفر أيونات النفاثة بالبلازما ، تم توجيه حزمة من أيونات الأرجون إلى العينة. ونتيجة لذلك ، تمت إزالة المناطق غير المحمية بواسطة القناع الضوئي ، وتم تشكيل أدلة الموجة اللازمة.

ما هو أكثر إرضاء للباحثين هو أن فقدان الطاقة الضوئية على مسافة متر واحد كان حوالي 50٪. بينما في وقت سابق ، عند استخدام نيوبات الليثيوم ، كان هذا المؤشر 99 ٪. وفقًا لـ Lonchar ، أصبح هذا ممكنًا بسبب زيادة الحبس البصري ، مما يمنع "تسرب" الضوء على طول حواف الدليل الموجي.

قال ماركو بوزان ، عالم المواد في جامعة بادوا:

إذا تم تأكيد نتائج البحث ، فإن ذلك سيزيد من أهمية الليثيوم نيوبات ، حتى عند أخذ أجهزة الفوتون السليكون التقليدية بعين الاعتبار. هذا الأداء الجيد ، مقترنًا بالخصائص البصرية غير الخطية لنيوبات الليثيوم ، يعلق أهمية كبيرة على هذا العمل ، خاصة في العصر القادم من الفوتونات الكمومية المتكاملة.

إن دمج نيوبات الليثيوم في فوتونات السليكون هو رؤية فريق البحث المستقبلي في Lonchar. ومع ذلك ، في الوقت الحالي ، سيضطرون مرة أخرى إلى العودة إلى النموذج الهجين ، نظرًا لحقيقة أنه لا يوجد ببساطة إنتاج للأجهزة على أساس الليثيوم نيوبات. لذلك ، وفقًا لـ Lonchar ، يجب عليهم صنع رقائق من النيوبيات الليثيوم والسيليكون بشكل منفصل ، ثم دمجها في كل واحد.

للتعرف على تقرير مجموعة Lonchar البحثية ، يمكنك النقر فوق الارتباط .

الخاتمة

ومع ذلك ، فإن استخدام نيوبيات الليثيوم في الإلكترونيات الضوئية يواجه العديد من الصعوبات ، ومع ذلك ، والعديد من المزايا التي تستحق الجهد. ربما يأتي الوقت الذي سيتلاشى فيه السيليكون القديم الجيد في الخلفية ويصبح من بقايا الماضي ، لكن هذا ليس كذلك حتى الآن. في الوقت الحالي ، هناك الكثير من الأبحاث الجارية ، والغرض منها هو اكتشاف مركبات ومواد كيميائية جديدة أو دراسة أكثر دقة للمركبات الموجودة ، بهدف استخدامها في مجالات معينة من حياتنا. ليس هناك حد للكمال. يمتد هذا المبدأ إلى أصغر التفاصيل ، ولكن الأكثر أهمية في بعض الأحيان ، من أي تقنية.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30 ٪ لمستخدمي Habr على نظير فريد من خوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 نوى) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وذاكرة وصول عشوائي DDR4 تصل إلى 40 جيجابايت).

ديل R730xd أرخص مرتين؟ فقط لدينا 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الطبقة باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟