Ist Lithiumniobat eine mögliche Zukunft für die Optoelektronik?

Unsere Welt ist voll von einer Vielzahl von Materialien, Substanzen, chemischen Verbindungen usw. Jedes hat seine eigenen Eigenschaften, seine eigenen Nachteile und Vorteile. Viele Wissenschaftler verbringen Jahre damit, ein bestimmtes Material oder eine bestimmte chemische Verbindung von Fehlern zu befreien und dadurch ihre Qualität zu verbessern, was wiederum den Anwendungsbereich erweitert. Dies ist, was Forscher an der Harvard University tun. Ihr „Experiment“ wurde zu einer sehr ungewöhnlichen Verbindung - Lithiumniobat. Was genau haben Wissenschaftler getan und welche Ergebnisse haben sie erzielt? Lass es uns herausfinden. Lass uns gehen.

"Betreff": Was, wie und warum?

Grundlage der Forschung war Lithiumniobat. Dies ist eine kristalline chemische Verbindung, die chemisch inert ist und sehr überraschende optische Eigenschaften aufweist. Lithiumniobat wird durch Kombinieren von Nioboxid und Lithiumcarbonat bei einer Temperatur von etwa 1100 ° C gebildet. In diesem Fall wird die Czochralski-Methode verwendet.


Schematische Darstellung des Kristallwachstums nach der Czochralski-Methode

Was ist das Besondere an dieser Verbindung? Wie bereits erwähnt, sind dies seine optischen Eigenschaften. Tatsache ist, dass Lithiumniobatkristalle im Wellenlängenbereich von 0,4 bis 5,0 μm optisch transparent sind und der Brechungsindex eines gewöhnlichen Strahls 2,29 und außergewöhnliche 2,20 beträgt. Aufgrund dieser Eigenschaften hat diese chemische Verbindung ihre Anwendung in vielen Geräten gefunden, von Mobiltelefonen bis zu optischen Modulatoren.


Lithiumniobat-Struktur

Der Unterschied zu Silizium und die damit verbundenen Probleme

Wenn wir über Elektronik sprechen, ist Silizium das erste chemische Element, das mir in den Sinn kommt. Es ist weit verbreitet in der Elektronik, einschließlich der Optoelektronik. Der Hauptunterschied zu Lithiumniobat besteht in der Leichtigkeit des chemischen Ätzens. Dieser Verarbeitungsprozess wird verwendet, um nanometergroße Strukturen wie Wellenleiter zu erzeugen. Lithiumniobat wiederum ist einer solchen Verarbeitung nicht zugänglich.


Schematische Darstellung eines chemischen Ätzprozesses

Es wurden Versuche unternommen, Wellenleiter auf der Basis von Lithiumniobat unter Verwendung von Ionendiffusion und Protonenaustausch herzustellen. Infolgedessen war jedoch der optische Indexkontrast zwischen dem Wellenleiter und dem Körpermaterial zu gering. Und es sollte anders sein, denn je höher dieser Indikator ist, desto besser breitet sich das Licht durch in Lithiumniobat geätzte Wellenleiter aus, die die optischen Eigenschaften des Materials voll ausnutzen.

Einige Forscher glauben, dass dieses Problem durch Hybridisierung gelöst werden kann. Auf einer Siliziumoberfläche geätzte Wellenleiter leiten Licht durch Lithiumniobat, wo es die Transparenz des Materials und seine nichtlinearen optischen Eigenschaften ausnutzt. Diese Methode ist recht funktionell, aber ineffizient, da sich die Verbindung zwischen dem durch die Siliziumwellenleiter hindurchtretenden Licht und Lithiumniobat als zu schwach herausstellte.

Neue Methode direkt aus Harvard

Die Komplexität der Arbeit mit Materialien wie Lithiumniobat veranlasste Forscher der Harvard University, eine neue Ätzmethode zu entdecken. Plasma-reaktives Ionenätzen.

Während dieses Prozesses wird die Oberfläche des Kristalls (in diesem Fall Lithiumniobat) mit Ionen beschossen. In diesem Fall werden die von der Fotomaske belichteten Bereiche während der Wechselwirkung von Ionen mit Atomen auf der Oberfläche des Chips entfernt.

Marco Lonchar, Forschungsleiter, spricht nicht ohne Humor über Lithiumniobat wie folgt:

Im Laufe der Jahre haben wir es mit vielen Materialien zu tun, die gute Eigenschaften haben, aber schwer zu verarbeiten sind. Ein solches Material ist Diamant. Es ist tatsächlich einfacher, auf einen Diamanten als auf Lithiumniobat zu ätzen, aber es existiert nicht in Form von dünnen Filmen (dünne Materialschichten, von Bruchteilen eines Nanometers bis zu mehreren Mikrometern).

Worte sind Worte, aber jede Forschung erfordert materielle Beweise. Als diese wurden ein Mikroring und mehrere Bänder erzeugt, deren Breite ungefähr 1 & mgr; m betrug und deren Radius 80 & mgr; m betrug.

Der Prozess der Erstellung dieser Mikrobehandlung kann in drei Schritten beschrieben werden:

I-Stufenwellenleiterproben wurden unter Verwendung von Elektronenstrahllithographie auf die Fotolackschicht geätzt;
II Schritt - Die resultierende Schablone wurde auf einen Film aus Lithiumniobat aufgebracht, um die erforderlichen Bereiche vor weiterer Verarbeitung zu schützen.
III-Schritt - Unter Verwendung des Plasmastrahlionenätzens wurde ein Argonionenstrahl auf die Probe gerichtet. Infolgedessen wurden die durch die Fotomaske ungeschützten Bereiche entfernt und die erforderlichen Wellenleiter gebildet.

Noch erfreulicher für die Forscher ist, dass der Verlust an optischer Leistung in einer Entfernung von 1 Meter etwa 50% betrug. Während früher bei Verwendung von Lithiumniobat dieser Indikator 99% betrug. Laut Lonchar wurde dies durch eine Zunahme der optischen Begrenzung möglich, die das „Austreten“ von Licht entlang der Kanten des Wellenleiters verhindert.

Marco Buzzan, Materialwissenschaftler an der Universität von Padua, sagte:

Wenn die Forschungsergebnisse bestätigt werden, erhöht dies die Bedeutung von Lithiumniobat, selbst wenn herkömmliche Siliziumphotonenvorrichtungen berücksichtigt werden. Diese gute Leistung, kombiniert mit den nichtlinearen optischen Eigenschaften von Lithiumniobat, misst dieser Arbeit eine große Bedeutung bei, insbesondere in der kommenden Ära der integrierten Quantenphotonik.

Die Integration von Lithiumniobat in die Siliziumphotonik ist die Vision des zukünftigen Forschungsteams von Lonchar. Im Moment müssen sie dafür jedoch wieder auf das Hybridmodell zurückgreifen, da einfach keine Geräte auf Basis von Lithiumniobat hergestellt werden. Laut Lonchar müssen sie daher Chips aus Lithiumniobat und Silizium getrennt herstellen und sie dann zu einem Ganzen kombinieren.

Um sich mit dem Bericht der Lonchar-Forschungsgruppe vertraut zu machen, klicken Sie auf den Link .

Nachwort

Die Verwendung von Lithiumniobat in der Optoelektronik hat jedoch viele Schwierigkeiten und viele Vorteile, die sich lohnen. Vielleicht wird die Zeit kommen, in der das gute alte Silizium in den Hintergrund tritt und ein Relikt der Vergangenheit wird, aber bisher ist dies nicht der Fall. Derzeit wird viel geforscht, um neue chemische Verbindungen und Materialien zu entdecken oder bestehende genauer zu untersuchen, um sie in bestimmten Bereichen unseres Lebens einzusetzen. Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Dieses Prinzip erstreckt sich auf die kleinsten, aber manchmal wichtigsten Details einer Technologie.

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