Медь помогла нанофотонике преодолеть дифракционный предел

Ученые из МФТИ впервые создали нанофотонные компоненты на основе меди, которые могут эффективно преобразовать свет в поверхностные электромагнитные волны. Это позволит обойти дифракционный предел, который накладывает ограничения на создание нанофотонных микросхем. Результаты исследования опубликованы в журнале NanoLetters.

Технологии на основе нанофотоники позволяют усовершенствовать интегральные микросхемы, ускоряя процесс передачи сигналов. Основная проблема заключается в том, что дифракция света, ограничивает минимальные размеры фотонных компонентов до величины, приблизительно равной длине волны света. Именно поэтому нанофотонные компоненты пока еще не могут по размеру сравниться с современными транзисторами. Чтобы обойти дифракционный предел, ученые используют металл-диэлектрические структуры, которые могут преобразовывать свет в поверхностные плазмон-поляритоны — электромагнитные волны, распространяющиеся по поверхности металла.

Лучше всего для создания таких волноводов подходят золото и серебро. Другие металлы характеризуются большим поглощением электромагнитного излучения и не могут служить проводниками для поляритонов. Однако золото и серебро несовместимы с КМОП-технологией — стандартной технологией изготовления электронных схем.

Подходящей альтернативой золоту может служить медь, поскольку частота плазмонных колебаний на ее поверхности сравнима с золотом. Единственный ее недостаток состоит в больших потерях электромагнитного излучения и очень маленькой длины распространения плазмон-поляритонов.

Ученые обнаружили, что обойти этот недостаток можно с помощью специально подобранной методики изготовления медного волновода, которая позволяет создать структуру, подходящую для распространения волн. Они создали многослойный материал из кремниевой пластинки, поликристаллической меди, диоксида кремния и нитрита кремния. Для того, чтобы придать ему необходимую форму исследователи воспользовались электронно-лучевой литографией и методом плазменного травления.

С помощью сканирующей электронной и ближнепольной оптической микроскопии ученые проверили, как распространяются плазмон-поляритоны по поверхности медного слоя. Результаты показали, что длина распространения плазмон-поляритонов превысила 40 микрометров, что делает медь даже более эффективным волноводом, чем золото. При этом медь подходит для создания компонентов, которые совместимы с электронными микросхемами на основе кремния.

Ученые надеются, что их исследование станет основой для создания медных нанофотонных и плазмонных компонентов, которые могут быть использованы для создания таких устройств, как нанолазеры, оптоэлектронные процессоры или суперкомпьютеры.