Kalifornijos universiteto, esančio Berklyje (Berkeley), inžinieriai atrado būdą užauginti nanolazerius tiesiog ant silicio paviršiaus. Unikali nanostulpų struktūra įkalina šviesą mažame tūryje ir sukuria dalinių bangų ilgių nanolazerius.
Kalifornijos universiteto, esančio Berklyje (Berkeley), inžinieriai atrado būdą užauginti nanolazerius tiesiog ant silicio paviršiaus. Unikali nanostulpų struktūra įkalina šviesą mažame tūryje ir sukuria dalinių bangų ilgių nanolazerius. Šis atradimas gali būti pradžia naujos rūšies greitesnių ir efektyvesnių mikroprocesorių bei galingesnių biocheminių jutiklių, kurie naudoja optoelektroninius lustus. Inžinierių darbas buvo atspausdintas „Nature Photonics“ žurnalo internetiniame leidinyje.
„Mūsų gauti rezultatai yra svarbūs įvairioms mokslo sritims: medžiagų mokslui, tranzistorių technologijoms, lazerių mokslui, optoelektronikai bei optinei fizikai“, – pasakė tyrimų vadovas Konis Čangas-Hasnainas (Connie Chang-Hasnain), kuris taip pat yra Kalifornijos universiteto elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų profesorius.
Augantys reikalavimai elektronikos prietaisų spartai bei efektyvumui privertė mokslininkus ieškoti būdų, kaip panaudoti šviesos dalelių gebėjimą nešti didesnius informacijos kiekius lyginant su elektriniais signalais. Manoma, kad optinės jungtys padės išspręsti atsirandančius ryšių apribojimus kompiuterinių lustų viduje ar sąveikoje vieno su kitu.
Silicis sudaro moderniosios elektronikos pagrindą. Tačiau neįmanoma generuoti šviesą silicyje. Todėl mokslininkai atkreipė savo dėmesį į kitą medžiagų klasę – III–V grupės puslaidininkius tam, kad sukurtų šviesą generuojančius komponentus. Kitas dalykas – nėra paprasta sujungti III-V grupei priklausančius elementus su siliciu į vieną optoelektroninį lustą, nors visi elementai yra puslaidininkinės medžiagos. Viena iš priežasčių – skirtinga atominė abiejų medžiagų struktūra.
„III-V grupės puslaidininkinių medžiagų plėvelių auginimas ant silicio yra panašus į bandymą sudėti dvi nesugretinamas dėliones į vieną paveikslą, – pasakė straipsnio vedantysis autorius ir Kalifornijos universiteto elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų absolventas Rodžeris Čenas (Roger Chen). – Iš principo tai galima padaryti, tik auginimo proceso metu medžiaga yra pažeidžiama“.
Puslaidininkinė pramonė yra organizuota medžiagų, kurių pagrindą sudaro silicis, gamybai. Todėl praktiniu požiūriu reikėjo sugalvoti, kaip įterpti III–V grupės puslaidininkinių medžiagų apdirbimą į esamą infrastruktūrą, pasakė mokslininkas.
„Šiandien yra labai sudėtinga ką nors pakeisti visa apimančioje silicio elektronikos infrastruktūroje. Tam turi įtakos ir ekonominės, ir technologinės priežastys. Todėl kažko naujo kūrimas turi derėti prie silicio pramonės, – pasakė Čangas-Hasnainas. – Viena iš problemų susijusių su III–V grupės puslaidininkių auginimu yra aukšta temperatūra – apie 700 laipsnių Celsijaus ir net didesnės temperatūros. Tokia aukšta temperatūra sunaikintų elektroniką.“
Grupė išsprendė šią problemą suradę kelią kaip auginti nanostulpus silicio paviršiuje prie santykinai žemos 400 laipsnių Celsijaus temperatūros. Auginimui buvo naudojamas indžio galio arsenidas, tai yra III–V grupės medžiagos.
„Kadangi buvo dirbama nanolygmenyje, tai mums pavyko išauginti aukštos kokybės III-V grupės medžiagas. Žema temperatūra užtikrino, kad silicio elektronika išlaikė savo naudingąsias savybes“.
Mokslininkai, augindami nanostulpus silicio paviršiuje, panaudojo metalo-oraninį užgarinimą. „Ši technika yra plačiai taikoma ir prieinama, kadangi tokia sistema yra naudojama gaminant plonų plėvelių saulės elementus bei šviesos diodus“, – pasakė Čangas.
Kai tik nanostulpai buvo pagaminti, mokslininkai pademonstravo, kad jie gali kambario temperatūroje generuoti lazerio šviesą infraraudonųjų spindulių spektro dalyje – bangos ilgis apie 950 nm. Šešiakampė nanostulpų kristalo struktūra sukūrė naują ir efektyvų šviesą užlaikantį optinį rezonatorių. Šviesa, judėdama nanostulpu pirmyn ir atgal, yra stiprinama.
Naujas pademonstruotas būdas, kaip nanolazeriai gali būti auginami tiesiai ant silicio paviršiaus, gali būti pritaikytas silicio fotonikai, pasakė mokslininkas. Jis pažymėjo, kad labai mažų matmenų nanostulpai (jie yra daugeliu atveju mažesni nei spinduliuojamas bangos ilgis) suteikia galimybę juos sudėti į mažą erdvės sritį. Jų mažumas taip pat užtikrina mažas energijos sąnaudas.
„Galiausiai ši technika gali atverti visiškai naują taikymų erdvę kuriant nanofotoninius įrenginius ir talpinant juos ant lustų. Tokie įrenginiai rastų savo panaudojimą įvairiose srityse: lazeriuose, fotodetektoriuose ar saulės elementuose“, – pasakė Čenas.
„Šis tyrimas gali pagreitinti optoelektronikos panaudojimą skaičiavimo technikoje ar ryšio priemonėse. Ateityje mes tikimės patobulinti šių lazerių charakteristikas ir net juos elektroniškai valdyti, turint tikslą sujungti į vieną visumą fotoninius ir elektroninius prietaisus“, – sakė Čangas-Hasnainas.
Paveiksliuko kairėje pusėje ir dešinės pusės viršutinėje dalyje parodytas sumodeliuotų elektrinių laukų intensyvumų pasiskirstymas nanostulpe. Intensyvumai aprašo šviesos sraigtinį judėjimą nanostulpo viduje. Paveiksliuko dešinės pusės apatinėje dalyje matyti lazerio šviesos vaizdas.
