يمكن لرقائق الكمبيوتر الحديثة بناء هياكل نانوية. حتى الآن، لا يمكن تشكيل مثل هذه الهياكل الصغيرة إلا فوق رقائق السيليكون، ولكن الآن يمكن لتقنية جديدة إنشاء هياكل نانوية الحجم في طبقة أسفل السطح مباشرة.ويقول مخترعو هذه الطريقة إن لها آفاق تطبيق واسعة في كل من الضوئيات والإلكترونيات، وأنه في يوم من الأيام سيكون من الممكن إنشاء هياكل ثلاثية الأبعاد على رقائق السيليكون بأكملها.
تعتمد هذه التقنية على حقيقة أن السيليكون شفاف بالنسبة لأطوال موجية معينة من الضوء.وهذا يعني أن الليزر المناسب يمكنه المرور عبر سطح الرقاقة والتفاعل مع السيليكون الموجود تحتها.لكن تصميم ليزر يمكنه المرور عبر السطح دون التسبب في ضرر، مع تمكين التصنيع الدقيق على المستوى النانوي تحته، ليس بالأمر السهل.
وقد حقق الباحثون في جامعة بيلكنت في أنقرة، تركيا ذلك باستخدام تعديل الضوء المكاني لإنشاء أشعة ليزر على شكل إبرة تتحكم بشكل أفضل في مكان توزيع طاقة الشعاع.ومن خلال استغلال التفاعل الفيزيائي بين الليزر والسيليكون، تمكنوا من إنشاء أسلاك ومستويات ذات خصائص بصرية مختلفة يمكن دمجها لإنشاء مكونات نانوية ضوئية تحت السطح.
إن استخدام الليزر لتصنيع رقائق السيليكون ليس بالأمر الجديد. لكن أونور توكيل، الأستاذ المساعد في الفيزياء بجامعة بيلكنت والذي قاد البحث، يوضح أنه حتى الآن لم يتم إنشاء سوى هياكل بحجم ميكرون. وقال إن توسيع نطاق هذا النهج إلى المقياس النانوي يمكن أن يفتح قدرات جديدة، لأنه يمكن أن يخلق ميزات تعادل تقريبًا حجم الطول الموجي للضوء الوارد. عندما يحدث هذا، تظهر هذه الهياكل مجموعة من السلوكيات البصرية الجديدة التي، من بين أمور أخرى، تجعل من الممكن إنشاء مواد خارقة وأسطح خارقة.
وقال توكيل: "السيليكون هو حجر الزاوية في الإلكترونيات والضوئيات والخلايا الكهروضوئية"."إذا تمكنا من تقديم وظائف إضافية داخل الرقاقة النانوية التي تكمل هذه القدرات الحالية، فسوف يؤدي ذلك إلى نموذج مختلف تمامًا. الآن يمكنك أن تتخيل القيام بأشياء داخل الحجم، وربما حتى القيام بأشياء في ثلاثة أبعاد في نهاية المطاف. ونحن نعتقد أن هذا سيفتح اتجاهات جديدة ومثيرة."
لم تكن التقنيات السابقة قادرة على التصنيع على المستوى النانوي لأن ضوء الليزر ينتشر بمجرد دخوله إلى السيليكون، مما يجعل من الصعب ترسيب الطاقة بدقة. وفي ورقة بحثية نشرت في مجلة Nature Communications، أظهر فريق توكيل أنهم يستطيعون حل هذه المشكلة باستخدام نوع خاص من الليزر يسمى شعاع بيسل، الذي لا ينحرف. وهذا يعني أن الليزر يمكنه مقاومة تأثيرات تشتت الضوء ويظل مركزًا بشكل ضيق داخل السيليكون، مما يسمح له بترسيب الطاقة بدقة.
عندما يسلط الليزر على رقاقة، فإنه يخلق ثقوبًا صغيرة تسمى الفراغات، في المنطقة التي يتركز فيها الشعاع.يقول توكيل إن هذا قد حدث مع الطرق السابقة، لكن الفجوات الأصغر التي تم إنشاؤها عن طريق تركيز الحزم الأكثر تركيزًا تظهر تأثير "تعزيز المجال"، مما يؤدي إلى زيادة كثافة الليزر حولها. يؤدي هذا إلى تغيير بنية السيليكون حول الفراغات، مما يزيد من تأثير التعزيز ويخلق حلقة تغذية مرتدة ذاتية الاستدامة. ووجد الفريق أيضًا أنه يمكنهم تغيير اتجاه تعزيز المجال عن طريق تغيير استقطاب ضوء الليزر.
والنتيجة النهائية هي إنشاء هياكل مستوية أو خطية ثنائية الأبعاد يصل حجمها إلى 100 نانومتر في رقائق السيليكون. تتمتع هذه الهياكل بمعامل انكسار مختلف عن بقية الرقاقة، لكن توكيل قال إنه ليس من الواضح تمامًا مما تتكون هذه الهياكل. واستنادا إلى الأبحاث السابقة، يعتقد أنه ربما تم تعديل البنية البلورية الأساسية لرقاقة السيليكون. وأضاف أن دراسات المجهر الإلكتروني يجب أن تكون قادرة على توضيح ذلك في المستقبل، ولكن في النهاية ليس من الضروري معرفة الخصائص الأساسية الدقيقة لهذه الهياكل لإنشاء مكونات نانوية فوتونية مفيدة.
ولإثبات ذلك، أنشأ الباحثون جهازًا ضوئيًا نانويًا يسمى شبكة براغ، والذي يمكن استخدامه كمرشح بصري.ووفقا للفريق، فإن هذا هو أول عنصر بصري وظيفي نانوي مدفون بالكامل في السيليكون.
وقال ماكسيم شامبونو، الباحث في جامعة جينا في ألمانيا، إنه من اللافت للنظر أن الباحثين تمكنوا من تحقيق ميزات على المستوى النانوي لأن نبضات الليزر الطويلة نسبياً التي يستخدمها فريق توكيل عادة ما تخلق مناطق كبيرة متأثرة بالحرارة، مما يؤدي إلى تغيرات مجهرية. (عمل فريق بيلكنت باستخدام نبضات تم قياسها بالنانو ثانية، في حين أن أعمال الكتابة بالليزر المباشرة الأخرى كانت تشتمل تقليديًا على ليزر البيكو ثانية أو الفيمتو ثانية). وقال شامبونو إن القدرة على إنشاء ميزات أصغر من موجات الضوء يمكن أن تفتح مجموعة متنوعة من الاحتمالات، بما في ذلك تحسين قدرات الخلايا الشمسية على حصاد الطاقة.
ولأن تقنية التصنيع لا تسبب أي تغييرات على سطح الرقاقة، قال توكيل إنه في المستقبل يمكن استخدام التكنولوجيا لإنشاء أجهزة متعددة الوظائف مع مكونات إلكترونية على السطح ومكونات ضوئية مدفونة تحتها. ويحقق الفريق أيضًا فيما إذا كان من الممكن استخدام هذه الطريقة لنحت قنوات الموائع الدقيقة تحت سطح الشريحة. وقال توركل إن ضخ السوائل عبر هذه القنوات يحسن تبديد الحرارة، مما يساعد على تبريد الأجهزة الإلكترونية ويجعلها تعمل بشكل أسرع.
يقول توكيل إن أكبر قيود هذا النهج هو أن الباحثين لا يستطيعون التحكم بدقة في مكان ظهور الثقوب في مناطق محددة. حاليا، يتم توزيع عدد قليل من الفراغات بشكل غير متساو في المنطقة التي يتركز فيها شعاع الليزر. وقال طوكرإذا تمكنوا من وضع هذه التجاويف بشكل أكثر دقة، فيمكنهم التصنيع النانوي في ثلاثة أبعاد، بدلاً من مجرد إنتاج خطوط أو مستويات.
وأضاف: "إذا تمكنت من التحكم في هذه الأشياء بشكل فردي وتوزيعها مثل السلسلة، فسيكون ذلك مثيرًا للغاية في المستقبل". "لأنه سيكون لديك المزيد من التحكم، مما سيمكن عناصر أو أنظمة أكثر ثراءً."