Pesquisadores alcançam nanoestruturação sem precedentes dentro do silício

O silício, a pedra angular da eletrônica moderna, fotovoltaica e fotônica, tem sido tradicionalmente limitado à nanofabricação de nível de superfície devido aos desafios impostos pelas técnicas litográficas existentes. Os métodos disponíveis falham em penetrar a superfície do wafer sem causar alterações ou são limitados pela resolução em microescala da litografia a laser dentro do Si.

No espírito do famoso ditado de Richard Feynman, “Há muito espaço no fundo”, esta descoberta se alinha com a visão de explorar e manipular a matéria na nanoescala. A técnica inovadora desenvolvida por uma equipe da Bilkent University supera as limitações atuais, permitindo a fabricação controlada de nanoestruturas enterradas profundamente dentro de wafers de silício com controle sem precedentes.

A obra aparece em Comunicações da Natureza.

A equipe enfrentou o desafio duplo de efeitos ópticos complexos dentro do wafer e o limite de difração inerente da luz laser. Eles superaram isso empregando um tipo especial de pulso laser, criado por uma abordagem chamada modulação de luz espacial. A natureza não difrativa do feixe supera os efeitos de espalhamento óptico que anteriormente impediam a deposição precisa de energia, induzindo vazios extremamente pequenos e localizados dentro do wafer.

Este processo é seguido por um efeito de semeadura emergente, onde nano-vazios subsuperficiais pré-formados estabelecem forte aprimoramento de campo ao redor de sua vizinhança imediata. Este novo regime de fabricação marca uma melhoria de uma ordem de magnitude sobre o estado da arte, alcançando tamanhos de recursos de até 100 nm.

“Nossa abordagem é baseada na localização da energia do pulso de laser dentro de um material semicondutor para um volume extremamente pequeno, de modo que se possa explorar efeitos emergentes de aprimoramento de campo análogos aos da plasmônica. Isso leva ao controle subcomprimento de onda e multidimensional diretamente dentro do material”, explicou o Prof. Tokel. “Agora podemos fabricar elementos nanofotônicos enterrados em silício, como nanorrede com alta eficiência de difração e até mesmo controle espectral.”

Os pesquisadores usaram pulsos de laser espacialmente modulados, correspondendo tecnicamente a uma função de Bessel. A natureza não difratante desse feixe de laser especial, que é criado com técnicas avançadas de projeção holográfica, permite a localização precisa de energia. Isso, por sua vez, leva a valores de alta temperatura e pressão o suficiente para modificar o material em um pequeno volume.

Notavelmente, o aprimoramento de campo resultante, uma vez estabelecido, se sustenta por meio de um mecanismo do tipo seeding. Simplificando, a criação de nanoestruturas anteriores ajuda a fabricar as nanoestruturas posteriores. O uso da polarização a laser fornece controle adicional sobre o alinhamento e a simetria das nanoestruturas, permitindo a criação de diversos nanoarrays com alta precisão.

“Ao alavancar o mecanismo de feedback anisotrópico encontrado no sistema de interação laser-material, alcançamos nanolitografia controlada por polarização em silício”, disse o Dr. Asgari Sabet, o primeiro autor do estudo. “Essa capacidade nos permite guiar o alinhamento e a simetria das nanoestruturas na nanoescala.”

A equipe de pesquisa demonstrou nanoestruturação volumétrica de grande área com recursos além do limite de difração, permitindo elementos nanofotônicos enterrados de prova de conceito. Esses avanços têm implicações significativas para o desenvolvimento de sistemas em nanoescala com arquiteturas exclusivas.

“Acreditamos que a liberdade de design emergente no que é indiscutivelmente o material tecnológico mais importante encontrará aplicações interessantes em eletrônica e fotônica”, disse Tokel. “Os recursos além do limite de difração e o controle multidimensional implicam avanços futuros, como metassuperfícies, metamateriais, cristais fotônicos, inúmeras aplicações de processamento de informações e até mesmo sistemas eletrônicos-fotônicos integrados em 3D.”

“Nossas descobertas introduzem um novo paradigma de fabricação para o silício”, concluiu o Prof. Tokel, “A capacidade de fabricar na nanoescala diretamente dentro do silício abre um novo regime, em direção a uma maior integração e fotônica avançada. Agora podemos começar a perguntar se a nanofabricação tridimensional completa em silício é possível. Nosso estudo é o primeiro passo nessa direção.”

Além de Sabet e Tokel, a equipe de pesquisa é formada por Aqiq Ishraq, Alperen Saltik e Mehmet Bütün, todos afiliados ao Departamento de Física e ao Centro Nacional de Pesquisa em Nanotecnologia da Universidade Bilkent. Sua expertise abrange vários campos, incluindo óptica, ciência de materiais e nanotecnologia.