Nuestro mundo está lleno de una amplia variedad de materiales, sustancias, compuestos químicos, etc. Cada uno de los cuales tiene sus propias propiedades, sus propias desventajas y ventajas. Muchos científicos pasan años tratando de eliminar defectos de un material o compuesto químico en particular, mejorando así su calidad, lo que, a su vez, amplía la gama de posibles aplicaciones. Esto es lo que hacen los investigadores de la Universidad de Harvard. Su "experimental" se convirtió en un compuesto muy inusual: niobato de litio. ¿Qué hicieron exactamente los científicos y qué resultados obtuvieron? Averigüemos Vamos
"Sujeto": ¿qué, cómo y por qué?
La base de la investigación fue el niobato de litio. Este es un compuesto químico cristalino que es químicamente inerte y tiene propiedades ópticas muy sorprendentes. El niobato de litio se forma combinando óxido de niobio y carbonato de litio a una temperatura de aproximadamente 1100 ° C. En este caso, se utiliza el método Czochralski.
Representación esquemática del crecimiento de cristales por el método de Czochralski.¿Qué tiene de especial este compuesto? Como se mencionó anteriormente, estas son sus propiedades ópticas. El hecho es que los cristales de niobato de litio son ópticamente transparentes en el rango de longitud de onda de 0.4-5.0 μm, y el índice de refracción de un haz ordinario es 2.29, y un extraordinario 2.20. Debido a tales características, este compuesto químico ha encontrado su aplicación en muchos dispositivos, desde teléfonos móviles hasta moduladores ópticos.
Estructura de niobato de litioLa diferencia con el silicio y los problemas asociados con él.
Cuando hablamos de electrónica, el primer elemento químico que viene a la mente es el silicio. Es ampliamente utilizado en electrónica, incluida la optoelectrónica. Su principal diferencia con el niobato de litio es la facilidad del grabado químico. Este proceso de procesamiento se utiliza para crear estructuras de tamaño nanométrico, como guías de onda. El niobato de litio, a su vez, no es apto para dicho procesamiento.
Representación esquemática de un proceso de grabado químico.Ha habido intentos de crear guías de ondas basadas en niobato de litio utilizando difusión de iones e intercambio de protones. Sin embargo, como resultado, el contraste del índice óptico entre la guía de ondas y el material del cuerpo era demasiado bajo. Y debería ser diferente, porque cuanto mayor sea este indicador, mejor se propagará la luz a través de guías de ondas grabadas en niobato de litio, lo que hará un uso completo de las propiedades ópticas del material.
Algunos investigadores creen que este problema puede resolverse mediante hibridación. Las guías de onda graban en una superficie de silicio la luz directa a través de niobato de litio, donde explota la transparencia del material y sus propiedades ópticas no lineales. Este método es bastante funcional, pero ineficiente, ya que la conexión entre la luz que pasa a través de las guías de ondas de silicio y el niobato de litio resultó ser demasiado débil.
Nuevo método directo de Harvard
La complejidad de trabajar con materiales como el niobato de litio llevó a los investigadores de la Universidad de Harvard a descubrir un nuevo método de grabado. A saber, grabado con iones reactivos en plasma.
Durante este proceso, la superficie del cristal (en este caso, niobato de litio) es bombardeada por iones. En este caso, las áreas expuestas por la fotomáscara se eliminan durante la interacción de iones con átomos en la superficie del chip.
Marco Lonchar, jefe de investigación, habla, no sin humor, sobre el niobato de litio de esta manera:
A lo largo de los años, hemos estado tratando con muchos materiales que tienen buenas propiedades, pero son difíciles de trabajar. Uno de esos materiales es el diamante. En realidad, es más fácil de grabar en un diamante que en niobato de litio, pero no existe en forma de películas delgadas (capas delgadas de material, desde fracciones de un nanómetro hasta varias micras).
Las palabras son palabras, pero cualquier investigación requiere evidencia material. Como estos, se crearon un microring y varias bandas, cuyo ancho fue de aproximadamente 1 μm, y el radio del anillo fue de 80 μm.
El proceso de creación de este microtratamiento se puede describir en 3 pasos:
Paso - las muestras de guía de ondas fueron grabadas en la capa fotorresistente usando litografía de haz de electrones;
II paso : la plantilla resultante se aplicó a una película de niobato de litio para proteger las áreas necesarias de un procesamiento posterior;
III paso : utilizando el grabado con iones de chorro de plasma, se dirigió un haz de iones de argón a la muestra. Como resultado, se eliminaron las áreas desprotegidas por la fotomasca y se formaron las guías de ondas necesarias.
Lo que es aún más agradable para los investigadores es que la pérdida de potencia óptica a una distancia de 1 metro fue aproximadamente del 50%. Mientras que antes, cuando se usaba niobato de litio, este indicador era del 99%. Según Lonchar, esto se hizo posible debido a un aumento en el confinamiento óptico, que evita la "fuga" de luz a lo largo de los bordes de la guía de ondas.
Marco Buzzan, científico de materiales en la Universidad de Padua, dijo:
Si se confirman los resultados de la investigación, esto aumentará la importancia del niobato de litio, incluso teniendo en cuenta los dispositivos tradicionales de fotones de silicio. Este buen rendimiento, combinado con las propiedades ópticas no lineales del niobato de litio, otorga gran importancia a este trabajo, especialmente en la próxima era de la fotónica cuántica integrada.
La visión del futuro equipo de investigación de Lonchar es la integración del niobato de litio en la fotónica de silicio. Sin embargo, por el momento, para esto nuevamente tendrán que volver al modelo híbrido, en vista del hecho de que simplemente no hay producción de dispositivos basados en niobato de litio. Por lo tanto, según Lonchar, tienen que hacer chips de niobato de litio y silicio por separado, y luego combinarlos en un solo conjunto.
Para familiarizarse con el informe del grupo de investigación Lonchar, puede hacer clic en el
enlace .
Epílogo
Sin embargo, el uso de niobato de litio en optoelectrónica tiene muchas dificultades y muchas ventajas que valen la pena. Quizás llegue el momento en que el viejo silicio se desvanezca en el fondo y se convierta en una reliquia del pasado, pero hasta ahora esto no es así. En este momento, se están realizando muchas investigaciones, cuyo objetivo es el descubrimiento de nuevos compuestos y materiales químicos o un estudio más meticuloso de los existentes, con el objetivo de usarlos en ciertas áreas de nuestras vidas. No hay límite para la perfección. Este principio se extiende a los detalles más pequeños, pero a veces los más importantes, de cualquier tecnología.
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