(Phys.org) —Ha tomado más de 20 años, pero los investigadores han demostrado por primera vez que los láseres de femtosegundos se pueden utilizar para manipular estructuralmente silicio a granel para aplicaciones de alta precisión. Desde finales de los 90, Los investigadores han estado utilizando pulsos ultracortos de láseres de femtosegundos para escribir en materiales a granel con amplios espacios de banda. que son típicamente aislantes. Pero hasta ahora La escritura láser ultrarrápida precisa no ha sido posible para materiales con espacios de banda estrechos, como el silicio y otros semiconductores.

Los investigadores esperan que los resultados abran las puertas a la escritura láser 3D para aplicaciones de fotónica de silicio. así como para estudiar nueva física en semiconductores.

Los científicos, Margaux Chanal y col., de institutos en Francia, Katar, Rusia, y Grecia, han publicado su artículo "Cruzando el umbral de la escritura láser ultrarrápida en silicio a granel" en un número reciente de Comunicaciones de la naturaleza .

En intentos anteriores de escritura láser ultrarrápida en silicio a granel, Los científicos descubrieron que los láseres de femtosegundos simplemente no eran capaces de manipular estructuralmente el silicio a granel, incluso cuando la energía del láser se incrementó a la mayor intensidad de pulso tecnológicamente posible.

En el nuevo estudio, los investigadores encontraron que, Afortunadamente, no existe un límite físico que evite las manipulaciones estructurales ultrarrápidas de silicio a granel inducidas por láser. En lugar de, encontraron que la energía láser tiene que ser entregada en el medio de una manera abrupta para minimizar las pérdidas por absorción no lineal. Este hallazgo reveló que el problema de todos los esfuerzos pasados ​​surgió de la pequeña apertura numérica (NA) del láser, que se refiere al rango de ángulos sobre los cuales se puede emitir luz láser enfocada. Los investigadores calcularon que, para lograr los resultados deseados, Sería necesario obtener valores extremos de NA que hasta ahora no se han realizado en esta área.

Para alcanzar estos valores extremos de NA, los investigadores tomaron prestada una técnica de microscopía avanzada llamada microscopía de inmersión sólida. La idea es similar a la microscopía de inmersión en líquido de uso común, en el que se coloca una pequeña gota de aceite en el portaobjetos. Como el aceite tiene un índice de refracción mayor que el aire, el aceite reduce la cantidad de refracción óptica (curvatura de la luz) a medida que la luz viaja entre el portaobjetos y la lente del microscopio. Esta, Sucesivamente, aumenta el NA y la resolución del microscopio asociado (el NA de un microscopio mide el rango de ángulos sobre los cuales se recolecta la luz en lugar de entregarla). La diferencia con la microscopía de inmersión en sólidos es que se usa un material sólido con un índice de refracción alto en lugar de un líquido.

En el nuevo estudio, los investigadores utilizaron esferas de silicio como medio de inmersión sólida. Ellos encontraron que al enfocar el láser en el centro de una esfera, podrían suprimir completamente la refracción y aumentar considerablemente el NA. Los valores extremos de NA permitieron que los pulsos de láser lograran una ionización suficiente para romper los enlaces químicos en el silicio, lo que a su vez provoca cambios estructurales permanentes en el material.

"El conocimiento profundo de la física de la interacción y propagación de pulsos láser ultracortos en semiconductores de banda prohibida baja, como el silicio, nos permitió resolver este problema de larga data y lograr modificaciones estructurales de materiales controladas, apropiado para aplicaciones, "el coautor Stelios Tzortzakis, en la Universidad Texas A&M en Qatar, ADELANTE, y la Universidad de Creta en Grecia, dicho Phys.org . "Aún más, la deposición de energía localizada en el medio da como resultado fases de desequilibrio con gradientes térmicos y de presión extremos que pueden permitir la creación y el estudio de nuevos estados de la materia, anteriormente inalcanzable en entornos de laboratorio ".

En el futuro, los investigadores planean ampliar aún más los límites de este enfoque tomando prestada otra técnica de microscopía llamada disposición 4-Pi. Este concepto implica cruzar múltiples pulsos de láser con valores extremos de NA en los centros de las esferas, lo que puede conducir a posibilidades aún mayores en la escritura láser ultrarrápida en silicio a granel y otros semiconductores.

"La escritura láser 3D aplicable al silicio puede cambiar drásticamente la forma en que se diseñan y fabrican las cosas en el importante campo de la fotónica del silicio, ", dijo el coautor David Grojo de CNRS / Aix-Marseille University en Francia." La fotónica de silicio se considera la próxima revolución de la microelectrónica que utiliza la luz a nivel de chips para el procesamiento de datos de máxima velocidad. Sin embargo, sigue siendo hoy un mundo 2D debido a los métodos litográficos planos utilizados para la fabricación (tecnología SOI). Con nuestro método podemos imaginar el equivalente a una impresora 3D para la creación rápida de prototipos de cualquier arquitectura innovadora. Esto hará posible que los especialistas en fotónica de silicio diseñen cosas en 3D que deben representar un verdadero impulso para el surgimiento de tecnologías disruptivas y nuevos conceptos ".

© 2017 Phys.org