Задача управления системой светоэлектронной литографии рисует будущее
ИНТЕРВЬЮ 05
Профессор Сусуму Нода
Высшая инженерная школа и инженерный факультет Киотского университета
Оптические чипы, инновации в области полупроводниковых лазеров, контроль теплового излучения и высокоэффективные солнечные элементы и т. д. Фотонные кристаллы, без сомнения, являются инновационными материалами, за которыми будущее. Профессор Сусуму Нода из Киотского университета с самого начала руководил исследованиями в этой области и продолжает идти к амбициозной мечте.
Ультрасовременный материал – фотонные кристаллы
Обладая способностью разделять, изгибать, хранить и усиливать свет, «фотонные кристаллы» представляют собой инновационные материалы, которые обладают огромным потенциалом для свободного управления светом и тем самым обеспечивают огромный скачок возможностей для электрических и электронных устройств. Поскольку свет имеет то преимущество, что он движется намного быстрее, чем электроны, и почти не затухает даже при перемещении на большие расстояния, были предприняты различные попытки объединить его с электроникой. Однако, хотя с помощью полупроводников можно свободно управлять потоками электронов, для света таких эквивалентных полупроводников не существовало. Фотонные кристаллы фактически служат «полупроводниками для света», которые позволяют манипулировать светом, как это можно сделать с электронами.
Одним из примеров возможного применения фотонных кристаллов является компьютер с оптическим подключением и внутренними подложками, изготовленными из фотонных кристаллов. Для обычных подложек данные передаются электронами между такими компонентами, как ЦП и память. Однако скорость электронов ограничена, и электроны обязательно выделяют тепло, что было одним из основных факторов, препятствующих повышению скорости компьютерной обработки. Однако при использовании подложек, изготовленных из фотонных кристаллов, данные могут передаваться светом между компонентами. Технологии хранения интенсивного света в одной точке с помощью фотонных кристаллов уже изобретены. Развитие таких технологий в конечном итоге позволит реализовать сегодняшнюю производительность суперкомпьютера в компьютере потребительского размера.
Ожидается, что фотонные кристаллы вызовут революцию в полупроводниковых лазерах. Хотя технология полупроводниковых лазеров была значительно усовершенствована с точки зрения длины волны и времени, она уступает другим лазерным технологиям, включая твердотельные лазеры и газовые лазеры, с точки зрения мощности. Кроме того, его продвижение во власти давно назрело. Если когерентные операции большой площади будут полностью реализованы лазерами на фотонных кристаллах, ожидается, что станут возможны операции большой мощности с неизменно высоким качеством луча, что вызовет новую революцию в области полупроводниковых лазеров. Возможные области их применения варьируются от обрабатывающей, автомобильной и сенсорной промышленности до лазеров зажигания для ядерного синтеза. Его потенциальный размер рынка удивительно велик.
Ожидается, что фотонные кристаллы инициируют обновление технологий термоэмиссии. Тепловое излучение здесь относится к явлению генерации света (электромагнитной волны) от нагретого объекта. В течение многих лет это явление использовалось в качестве основного принципа ламп и источников света для анализа. В этом смысле солнце также является тепловым излучателем, излучающим свет в чрезвычайно широком диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного света. Точно так же обычные тепловые излучатели излучают широкий спектр света, который не нужен для конкретных целей, и это значительно снижает эффективность использования света. Что, если тепловое излучение объектов можно свести к желаемой длине волны и желаемой ширине линии без потери энергии и контролировать динамически и со сверхвысокой скоростью? Это позволит реализовать высокоэффективные и высокоскоростные источники инфракрасного излучения для различных целей анализа и значительно повысить эффективность термофотоэлектрической системы производства электроэнергии.
Структура для свободного управления светом
Свет имеет волнообразные характеристики, а различия длин волн в видимом диапазоне представлены в виде разных цветов. Причина, по которой солнечный свет и флуоресцентный свет кажутся нам белыми, заключается в синтезе света с различными длинами волн. Красный столб выглядит красным, потому что свет, отраженный от столба, красный, а другой свет поглощается или пропускает свет. Отражение, поглощение и пропускание света определяются молекулярной и поверхностной структурой объекта. Фотонные кристаллы предназначены для проектирования и производства таких микроструктур, позволяющих свободно управлять отражением света (т. е. изменением направления света) и световым резонансом (т. е. усилением света).
Процедура изготовления фотонных кристаллов проста. Как и в случае с полупроводниками, основным компонентом материала является кремниевая пластина (или полупроводниковая пластина соединения III-V). Процедура выглядит следующим образом: во-первых, используйте электронный луч, чтобы создать упорядоченно выровненные воздушные отверстия на пластине. Это наполняет поры воздухом. Тогда между частями полупроводника создается большое количество повторяющихся узоров с разными показателями преломления, а на границах происходит отражение. Следовательно, это вызывает явление брэгговского отражения, при котором свет, отраженный от границ в определенном направлении, конструктивно интерферирует, а другой свет интерферирует деструктивно и исчезает, что приводит к так называемому «светоизолятору».
Более важны структуры, называемые «искусственными дефектами». Когда отверстия для воздуха разных размеров или форм и/или участки без отверстий для воздуха создаются по образцу упорядоченно выровненных пор, в таких участках допускается присутствие света, что позволяет пропускать или хранить свет через участки. . Эти «дефекты» служат клетками света. Следовательно, можно гибко управлять распространением света, соответствующим образом размещая дефекты. (На рис. 1 показан трехмерный вид примера фотонной схемы на фотонно-кристаллической пластине.) Кроме того, если будут созданы микродефекты (включая микровариации размеров дефектов), свет будет собираться в дефектах, и только свет с длиной волны (s) соответствующие размеру вентиляционных отверстий будут конструктивно мешать. Такие структуры будут реализовывать память, хранящую свет, для фотонных схем и микролазерных устройств. (На рис. 2 показана двумерная электронная микрофотография оптического волновода и нанорезонатора, сформированных на фотонно-кристаллической пластине.) Тем не менее, диаметр отверстия для воздуха составляет примерно 200 нм, что даже меньше размера вирус, а это значит, что для изготовления требуется точность в нм. Для достижения желаемых функций расположение воздушных отверстий должно контролироваться с точностью до нанометров, и требуется высокоточная машина.
Fig.1
Трехмерное изображение пути света через фотонный кристалл
Fig.2
Двухмерный рисунок упорядоченно выровненных отверстий для воздуха с нанесенными «искусственными дефектами». Часть, обозначенная как «нано-резонатор» (между пунктирными линиями с интервалами пор на 10 мм шире), может удерживать свет дольше. Часть, обозначенная как «Волновод» (его высота больше, чем у нанорезонатора), служит для направления света извне к нанорезонатору. Поскольку диаметр и интервалы пор должны контролироваться в нанометрах, требуется прецизионное рисование с помощью системы электронно-лучевой литографии.
Основная фигура, стоящая за практическим применением фотонных кристаллов
В настоящее время лаборатория профессора Нода использует современную систему электронно-лучевой литографии JEOL, чтобы проложить путь в будущее.
Сусуму Нода, профессор Киотского университета, активно занимается разработкой фотонных кристаллов с 1980-х годов.
После окончания аспирантуры молодой профессор Нода поступил на работу в Центральную лабораторию Mitsubishi Electric Corporation и продолжил исследования в области лазерных технологий. Достигнув определенного уровня удовлетворения в своих исследованиях, он начал изучать возможности оптических материалов следующего поколения и сосредоточил свое внимание на фотонных кристаллах. По совпадению, его бывший профессор предложил ему должность ассистента в Киотском университете, и он решил вернуться в академию для фундаментальных исследований.
«В то время Япония находилась в зените своего экономического пузыря. Таким образом, исследовательская среда на частных предприятиях была намного лучше, чем в академических кругах, потому что университетские лаборатории могли в лучшем случае получать лишь несколько миллионов иен в год на расходы на исследования. Они были настолько бедны, что некоторые использовали пустые бутылки из-под саке вместо стаканов», — размышлял он.
Профессор сказал, что фотонные кристаллы представляли собой такую большую мечту, что это вдохновило его на продолжение исследований в таких сложных условиях.
«Когда я начал исследование, многие исследователи сомневались в его практической возможности и считали его чистой фантазией. Несмотря на это, я все еще верил, что фотонные кристаллы позволят реализовать ключевые устройства будущего, если их применить на практике».
Из-за нехватки средств и незрелости наноинженерных технологий его исследования не могли выйти за пределы теоретической фазы. Большая часть скачка в его исследованиях фотонных кристаллов была результатом прогрессивного развития устройств, называемых системами электронно-лучевой литографии. Мы можем назвать эту машину (фото справа) «нанопринтером», поскольку она рисует проектные данные, разработанные САПР и т. д., на наноматериалах с помощью электронной пушки, испускающей электроны в виде лучей. Эта технология использовалась в качестве электронно-эмиссионного источника электронной микроскопии. Компания JEOL занялась производством систем электронной литографии в 1967 году, используя свои многолетние технологии и опыт в области электронной микроскопии, и шаг за шагом улучшала производительность системы в соответствии с мнениями исследователей.
«Система литографии JEOL точно определяет местоположение объекта и рисует с большой точностью. Ускорение наших исследований, безусловно, связано с улучшением таких систем».
В погоне за будущим Стандартом Деви
Стремление к будущим стандартным устройствам
После того, как он последовательно посвятил себя низкопрофильным фундаментальным исследованиям в течение более 10 лет, статья, которую он опубликовал в 2000 году, привлекла к профессору Нода всеобщее внимание. Статья продемонстрировала осуществимость технологии фотонных кристаллов с обильными плодами его давних исследований, которые были достаточно существенными, чтобы привлечь множество исследователей. Сегодня существует ряд прикладных исследований фотонных кристаллов, направленных на получение ощутимых результатов.
Одним из наиболее ожидаемых применений этой технологии является вышеупомянутый когерентный полупроводниковый лазер большой площади. На момент написания этой статьи были успешно проведены операции ваттного класса по качественному и мощному выводу луча с помощью одного чипа. Исследователи ожидают, что мир изменится, когда операции мощностью 10 Вт будут внедрены в практику. Кроме того, применение солнечных батарей привлекло внимание как возобновляемый источник энергии. Существующие солнечные элементы могут поглощать и преобразовывать в энергию только часть видимого света, поэтому большая часть солнечного света не используется. Ожидается, что контроль теплового излучения с помощью фотонных кристаллов (упомянутый ранее) решит проблему в будущем; т. е. контроль теплового излучения может повысить эффективность выработки электроэнергии за счет создания конструкций солнечных элементов, которые излучают свет в определенной полосе для наиболее эффективного поглощения ячейками и позволяют им поглощать большую часть солнечного света.
Восхищаясь его достижениями, открывшими возможности таких новых технологий, многие исследователи считают, что профессор Нода заслуживает следующей Нобелевской премии.
«Практическое использование фотонных кристаллов только начинается. Моя миссия — неуклонно развивать многообещающие технологии до их полного расцвета», — сказал он.
Сусуму Нода
Профессор Высшей инженерной школы и инженерного факультета Киотского университета
После окончания магистратуры Высшей инженерной школы и инженерного факультета Киотского университета профессор Нода присоединился к Mitsubishi Electric Corporation. В 1988 году он занял должность ассистента инженерного факультета Киотского университета, доцента в 1992 году и профессора в 2000 году. В том же году, когда он стал профессором, он был удостоен 14-й премии IBM Japan Science Prize за исследования. по полупроводниковым фотонным кристаллам и приложениям. Впоследствии профессор Нода получил ряд наград, в том числе Благодарность за науку и технологии от министра образования, культуры, спорта, науки и технологий в 2009 г., 6-ю премию Реоны Эдзаки в 2009 г., медаль с пурпурной лентой в 2014 г. и JSAP. Награда за достижения в 2015 году и др.
Время публикации: май 2016 г.