Notre monde regorge d'une grande variété de matériaux, substances, composés chimiques, etc. Chacun a ses propres propriétés, ses propres inconvénients et avantages. De nombreux scientifiques passent des années à essayer de débarrasser un matériau particulier ou un composé chimique des défauts, améliorant ainsi sa qualité, ce qui, à son tour, élargit la gamme des applications possibles. C'est ce que font les chercheurs de l'Université Harvard. Leur «expérimental» est devenu un composé très inhabituel - le niobate de lithium. Qu'ont fait exactement les scientifiques et quels résultats ont-ils obtenus? Voyons. Allons-y.
«Sujet»: quoi, comment et pourquoi?
La base de la recherche était le niobate de lithium. Il s'agit d'un composé chimique cristallin qui est chimiquement inerte et possède des propriétés optiques très surprenantes. Le niobate de lithium est formé en combinant de l'oxyde de niobium et du carbonate de lithium à une température d'environ 1100 ° C. Dans ce cas, la méthode Czochralski est utilisée.
Représentation schématique de la croissance cristalline par la méthode CzochralskiQuelle est la particularité de ce composé? Comme mentionné précédemment, ce sont ses propriétés optiques. Le fait est que les cristaux de niobate de lithium sont optiquement transparents dans la gamme de longueurs d'onde de 0,4 à 5,0 μm, et l'indice de réfraction d'un faisceau ordinaire est de 2,29 et 2,20 extraordinaire. En raison de ces caractéristiques, ce composé chimique a trouvé son application dans de nombreux appareils, allant des téléphones portables aux modulateurs optiques.
Structure de niobate de lithiumLa différence avec le silicium et les problèmes qui lui sont associés
Quand on parle d'électronique, le premier élément chimique qui me vient à l'esprit est le silicium. Il est largement utilisé en électronique, y compris en optoélectronique. Sa principale différence avec le niobate de lithium est la facilité de gravure chimique. Ce processus de traitement est utilisé pour créer des structures de taille nanométrique, telles que des guides d'ondes. Le niobate de lithium, quant à lui, ne se prête pas à un tel traitement.
Représentation schématique d'un processus de gravure chimiqueIl y a eu des tentatives pour créer des guides d'ondes à base de niobate de lithium en utilisant la diffusion ionique et l'échange de protons. Cependant, en conséquence, le contraste d'indice optique entre le guide d'onde et le matériau du corps était trop faible. Et cela devrait être différent, car plus cet indicateur est élevé, meilleure sera la propagation de la lumière à travers des guides d'ondes gravés dans du niobate de lithium, qui exploiteront pleinement les propriétés optiques du matériau.
Certains chercheurs pensent que ce problème peut être résolu par hybridation. Des guides d'ondes gravés sur une surface de silicium dirigent la lumière à travers le niobate de lithium, où il exploite la transparence du matériau et ses propriétés optiques non linéaires. Cette méthode est assez fonctionnelle, mais inefficace, car la connexion entre la lumière traversant les guides d'onde en silicium et le niobate de lithium s'est avérée trop faible.
Nouvelle méthode directement d'Harvard
La complexité du travail avec des matériaux tels que le niobate de lithium a incité des chercheurs de l'Université Harvard à découvrir une nouvelle méthode de gravure. À savoir, la gravure ionique réactive au plasma.
Au cours de ce processus, la surface du cristal (dans ce cas, le niobate de lithium) est bombardée par des ions. Dans ce cas, les zones exposées par le photomasque sont supprimées lors de l'interaction des ions avec les atomes à la surface de la puce.
Marco Lonchar, responsable de la recherche, parle, non sans humour, du niobate de lithium comme ceci:
Au fil des ans, nous avons eu affaire à de nombreux matériaux qui ont de bonnes propriétés, mais sont difficiles à travailler. Un tel matériau est le diamant. Il est en réalité plus facile à graver sur un diamant que sur du niobate de lithium, mais il n'existe pas sous forme de films minces (couches minces de matière, de fractions de nanomètre à plusieurs microns).
Les mots sont des mots, mais toute recherche nécessite des preuves matérielles. Comme ceux-ci, un microrésage et plusieurs bandes ont été créés, dont la largeur était d'environ 1 μm, et le rayon de l'anneau était de 80 μm.
Le processus de création de ce microtraitement peut être décrit en 3 étapes:
I des échantillons de guides d 'ondes ont été gravés sur la couche de résine photosensible par lithographie par faisceau électronique;
Étape II - le modèle résultant a été appliqué à un film de niobate de lithium afin de protéger les zones nécessaires contre un traitement ultérieur;
Étape III - en utilisant la gravure ionique par jet de plasma, un faisceau d'ions argon a été dirigé vers l'échantillon. En conséquence, les zones non protégées par le photomasque ont été supprimées et les guides d'ondes nécessaires ont été formés.
Ce qui est encore plus agréable pour les chercheurs, c'est que la perte de puissance optique à une distance de 1 mètre était d'environ 50%. Alors que précédemment, lors de l'utilisation du niobate de lithium, cet indicateur était de 99%. Selon Lonchar, cela est devenu possible en raison d'une augmentation du confinement optique, ce qui empêche la «fuite» de lumière le long des bords du guide d'ondes.
Marco Buzzan, scientifique des matériaux à l'Université de Padoue, a déclaré:
Si les résultats de la recherche sont confirmés, cela augmentera l'importance du niobate de lithium, même en tenant compte des dispositifs traditionnels à photons de silicium. Ces bonnes performances, combinées aux propriétés optiques non linéaires du niobate de lithium, attachent une grande importance à ce travail, en particulier à l'ère prochaine de la photonique quantique intégrée.
C'est l'intégration du niobate de lithium dans la photonique au silicium qui est la vision de la future équipe de recherche de Lonchar. Cependant, pour le moment, ils devront à nouveau revenir au modèle hybride, étant donné qu'il n'y a tout simplement pas de production d'appareils à base de niobate de lithium. Par conséquent, selon Lonchar, ils doivent fabriquer des puces à partir de niobate de lithium et de silicium séparément, puis les combiner en un seul ensemble.
Pour vous familiariser avec le rapport du groupe de recherche Lonchar, vous pouvez cliquer sur le
lien .
Épilogue
L'utilisation du niobate de lithium en optoélectronique présente cependant de nombreuses difficultés et de nombreux avantages qui en valent la peine. Peut-être le temps viendra-t-il où le bon vieux silicium disparaîtra à l'arrière-plan et deviendra une relique du passé, mais jusqu'à présent, ce n'est pas le cas. À l'heure actuelle, de nombreuses recherches sont en cours, dont le but est la découverte de nouveaux composés et matériaux chimiques ou une étude plus minutieuse de ceux existants, dans le but de les utiliser dans certains domaines de notre vie. Il n'y a pas de limite à la perfection. Ce principe s'étend aux détails les plus petits, mais parfois les plus importants, de toute technologie.
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