Наш мир полон самых разнообразных материалов, веществ, химических соединений и т.д. Каждый из которых имеет свои свойства, свои недостатки и преимущества. Многие ученые тратят годы на то, чтобы избавить тот или иной материал или химическое соединение от недостатков, тем самым повысив его качества, что, в свою очередь, расширяет спектр возможного применения. Этим и занимаются исследователи из Гарвардского университета. Их «подопытным» стало весьма необычное соединение — ниобат лития. Что именно сделали ученые и какие результаты они получили? Давайте же узнаем. Поехали.

«Подопытный»: что, как и почему?

Основой исследований стал ниобат лития. Это кристаллическое химическое соединение, которое является химически инертным и обладает весьма удивительными оптическими свойствами. Образуется ниобат лития путем соединения оксида ниобия и карбоната лития при температуре порядка 1100 °C. При этом используется метод Чохральского.


Схематическое изображение выращивания кристаллов методом Чохральского

Что же особенного в данном соединении? Как уже говорилось ранее, это его оптические свойства. Дело в том, что кристаллы ниобата лития оптически прозрачны в диапазоне длин волн 0,4-5,0 мкм, а показатель преломления обыкновенного луча составляет 2,29, необыкновенного — 2,20. Благодаря таким характеристикам данное химическое соединение нашло свое применение во многих устройствах, начиная от мобильных телефонов и заканчивая оптическими модуляторами.


Структура ниобата лития

Отличие от кремния и проблемы, связанные с ним

Когда мы говорим про электронику, первым химическим элементом, что приходит на ум, является кремний. Он широко используется в электронике, в том числе и в оптоэлектронике. Его основным отличием от ниобата лития является легкость химического травления. Данный процесс обработки используется для создания структур нанометрового размера, таких как волноводы. Ниобат лития, в свою очередь, не поддается такой обработке.


Схематическое изображение процесса химического травления

Были попытки создания волноводов на основе ниобата лития с применением ионной диффузии и протонообмена. Однако в результате оптико-индексный контраст между волноводом и корпусным материалом был слишком низок. А должно быть иначе, ведь чем выше данный показатель, тем лучше свет будет распространяться через волноводы, вытравленные в ниобате лития, что позволит в полной мере использовать оптические свойства материала.

Некоторые исследователи считают, что решить данную проблему можно путем гибридизации. Волноводы, вытравленные на поверхности кремния, направляют свет через ниобат лития, где он эксплуатирует прозрачность материала и его нелинейные оптические свойства. Данный метод вполне работоспособен, однако неэффективен, поскольку связь между светом, проходящим через кремниевые волноводы и ниобат лития, оказалась слишком слабой.

Новый метод прямиком из Гарварда

Сложность работы с такими материалами, как ниобат лития, подтолкнули исследователей из Гарвардского университета на открытие нового метода травления. А именно, плазменного реактивного ионного травления.

Во время этого процесса поверхность кристалла (в данном случае, ниобат лития) бомбардируется ионами. При этом участки, обнаженные фотошаблоном, удаляются при взаимодействии ионов с атомами на поверхности чипа.

Марко Лончар, глава исследований, высказывается, не без юмора, об ниобате лития так:

На протяжении многих лет мы имеем дело со многими материалами, которые обладают хорошими свойствами, но с ними трудно работать. Одним из таких материалов является алмаз. На алмазе на самом деле легче проводить травление, чем на ниобате лития, но он не существует в виде тонких пленок (тонкие слои материала, от долей нанометра до нескольких микрон).

Слова словами, но любое исследование требует вещественных доказательств. В качестве оных было создано микрокольцо и несколько полос, ширина которых составила примерно 1 мкм, а радиус кольца — 80 мкм.

Процесс создания сего микротворения можно описать в 3 шага:

I шаг — на фоторезистном слое с помощью электронно-лучевой литографии были вытравлены образцы волноводов;
II шаг — полученный шаблон был наложен на пленку из ниобата лития, дабы защитить от дальнейшей обработки необходимые участки;
III шаг — с помощью плазменного реактивного ионного травления луч из ионов аргона был направлен на образец. В результате, незащищенные фотошаблоном участки были удалены, а необходимые волноводы сформированы.

Что еще более порадовало исследователей, так это то, что потери оптической мощности на расстоянии в 1 метр составили около 50%. В то время как ранее, при использовании ниобата лития, данный показатель составлял 99%. По словам Лончара это стало возможно благодаря увеличению оптического удержания, что предотвращает «утечку» света по краям волновода.

Марко Баззан, ученый-материаловед из Падуанского университета, заявил:

Если результаты исследований подтвердятся, то это увеличит значимость ниобата лития, даже при учете традиционных кремниевых фотонах устройств. Такая хорошая производительность в сочетании с нелинейными оптическими свойствами ниобата лития придает большое значение этой работе, особенно в предстоящую эпоху интегрированной квантовой фотоники.

Именно интеграция ниобата лития в кремниевую фотонику является видением будущего команды исследователей Лончара. Однако на данный момент для этого им предстоит опять вернутся к гибридной модели, ввиду того, что производства устройств на основе ниобата лития попросту нет. Потому, по словам Лончара, им приходится делать чипы из ниобата лития и кремния отдельно, а потом объединять их в единое целое.

Для ознакомления с докладом исследовательской группы Лончара вы можете перейти по ссылке.

Эпилог

Использование ниобата лития в оптоэлектронике имеет немало сложностей, однако и немало преимуществ, которые стоят усилий. Возможно наступит время, когда старый добрый кремний отойдет на второй план и станет пережитком прошлого, но пока что это не так. На данный момент ведется немало исследований, целью которых является открытие новых химических соединений и материалов либо более дотошное изучение уже имеющихся, с целью их использования в тех или иных сферах нашей с вами жизни. Нет предела совершенству. Этот принцип распространяется и на самые маленькие, но порой самые важные, детали любой технологии.

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4 RAM).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?