O niobato de lítio é um futuro possível para a optoeletrônica?

Nosso mundo está cheio de uma grande variedade de materiais, substâncias, compostos químicos, etc. Cada um dos quais tem suas próprias propriedades, suas próprias desvantagens e vantagens. Muitos cientistas passam anos tentando eliminar um determinado material ou composto químico de falhas, melhorando assim sua qualidade, o que, por sua vez, expande o leque de aplicações possíveis. É o que os pesquisadores da Universidade de Harvard fazem. O "experimental" tornou-se um composto muito incomum - niobato de lítio. O que exatamente os cientistas fizeram e que resultados obtiveram? Vamos descobrir. Vamos lá

"Assunto": o que, como e por quê?

A base da pesquisa foi o niobato de lítio. Este é um composto químico cristalino que é quimicamente inerte e possui propriedades ópticas muito surpreendentes. O niobato de lítio é formado pela combinação de óxido de nióbio e carbonato de lítio a uma temperatura de cerca de 1100 ° C. Nesse caso, o método Czochralski é usado.


Representação esquemática do crescimento de cristais pelo método Czochralski

O que há de tão especial nesse composto? Como mencionado anteriormente, essas são suas propriedades ópticas. O fato é que os cristais de niobato de lítio são opticamente transparentes na faixa de comprimento de onda de 0,4-5,0 μm, e o índice de refração de um feixe comum é de 2,29, e um extraordinário 2,20. Devido a essas características, esse composto químico foi aplicado em muitos dispositivos, desde telefones celulares a moduladores ópticos.


Estrutura de niobato de lítio

A diferença do silício e os problemas associados a ele

Quando falamos de eletrônica, o primeiro elemento químico que vem à mente é o silício. É amplamente utilizado em eletrônicos, incluindo optoeletrônicos. Sua principal diferença em relação ao niobato de lítio é a facilidade de ataque químico. Esse processo de processamento é usado para criar estruturas do tamanho de nanômetros, como guias de ondas. O niobato de lítio, por sua vez, não é passível de tal processamento.


Representação esquemática de um processo de ataque químico

Houve tentativas de criar guias de onda baseados em niobato de lítio usando difusão de íons e troca de prótons. No entanto, como resultado, o contraste do índice óptico entre o guia de ondas e o material do corpo era muito baixo. E deve ser diferente, porque quanto maior esse indicador, melhor a luz se propagará através de guias de onda gravados em niobato de lítio, que farão pleno uso das propriedades ópticas do material.

Alguns pesquisadores acreditam que esse problema pode ser resolvido por hibridação. Guias de onda gravados em uma superfície de silicone com luz direta através de niobato de lítio, onde ele explora a transparência do material e suas propriedades ópticas não lineares. Este método é bastante funcional, mas ineficiente, pois a conexão entre a luz que passa pelos guias de onda de silício e o niobato de lítio acabou sendo muito fraca.

Novo método direto de Harvard

A complexidade de trabalhar com materiais como o niobato de lítio levou os pesquisadores da Universidade de Harvard a descobrir um novo método de gravação. Ou seja, gravação de íons reativos no plasma.

Durante esse processo, a superfície do cristal (neste caso, niobato de lítio) é bombardeada por íons. Nesse caso, as áreas expostas pela foto-máscara são removidas durante a interação de íons com átomos na superfície do chip.

Marco Lonchar, chefe de pesquisa, fala, não sem humor, sobre o niobato de lítio assim:

Ao longo dos anos, lidamos com muitos materiais que têm boas propriedades, mas são difíceis de trabalhar. Um desses materiais é o diamante. Na verdade, é mais fácil gravar em um diamante do que no niobato de lítio, mas ele não existe na forma de filmes finos (camadas finas de material, de frações de nanômetro a vários mícrons).

Palavras são palavras, mas qualquer pesquisa requer evidência material. Assim, foram criadas uma microrreceptora e várias bandas, cuja largura era de aproximadamente 1 µm e o raio do anel era de 80 µm.

O processo de criação desse microtratamento pode ser descrito em 3 etapas:

Passo - amostras de guia de onda foram gravadas na camada fotorresistente usando litografia por feixe de elétrons;
II etapa - o gabarito resultante foi aplicado a um filme de niobato de lítio, a fim de proteger as áreas necessárias de processamento posterior;
III etapa - usando ataque de íons de jato de plasma, um feixe de íons argônio foi direcionado para a amostra. Como resultado, as áreas desprotegidas pela máscara fotográfica foram removidas e os guias de onda necessários foram formados.

O que é ainda mais agradável para os pesquisadores é que a perda de potência óptica a uma distância de 1 metro foi de cerca de 50%. Enquanto anteriormente, ao usar niobato de lítio, esse indicador era de 99%. Segundo Lonchar, isso se tornou possível devido ao aumento do confinamento óptico, o que evita o “vazamento” de luz ao longo das bordas do guia de ondas.

Marco Buzzan, cientista de materiais da Universidade de Pádua, disse:

Se os resultados da pesquisa forem confirmados, isso aumentará a importância do niobato de lítio, mesmo considerando os dispositivos tradicionais de fótons de silício. Esse bom desempenho, combinado com as propriedades ópticas não lineares do niobato de lítio, atribui grande importância a este trabalho, especialmente na próxima era da fotônica quântica integrada.

É a integração do niobato de lítio na fotônica de silício que é a visão da futura equipe de pesquisa da Lonchar. No entanto, no momento, para isso, eles terão que voltar novamente ao modelo híbrido, tendo em vista que simplesmente não há produção de dispositivos baseados em niobato de lítio. Portanto, de acordo com Lonchar, eles precisam fabricar chips de niobato de lítio e silício separadamente e combiná-los em um único todo.

Para se familiarizar com o relatório do grupo de pesquisa Lonchar, você pode clicar no link .

Epílogo

No entanto, o uso de niobato de lítio na optoeletrônica tem muitas dificuldades e muitas vantagens que valem a pena. Talvez chegue o momento em que o bom e velho silício desapareça em segundo plano e se torne uma relíquia do passado, mas até agora não é assim. No momento, muitas pesquisas estão em andamento, cujo objetivo é a descoberta de novos compostos e materiais químicos ou um estudo mais meticuloso dos existentes, com o objetivo de usá-los em determinadas áreas de nossas vidas. Não há limite para a perfeição. Esse princípio se estende aos menores, mas às vezes os mais importantes, detalhes de qualquer tecnologia.

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