(Phys.org)—Ci sono voluti più di 20 anni, ma i ricercatori hanno dimostrato per la prima volta che i laser a femtosecondi possono essere utilizzati per manipolare strutturalmente il silicio sfuso per applicazioni ad alta precisione. Dalla fine degli anni '90, i ricercatori hanno utilizzato gli impulsi ultracorti dei laser a femtosecondi per scrivere in materiali sfusi con ampi intervalli di banda, che sono tipicamente isolanti. Ma fino ad ora, la scrittura laser ultraveloce precisa non è stata possibile per materiali con bande gap strette, come silicio e altri semiconduttori.

I ricercatori si aspettano che i risultati apriranno le porte alla scrittura laser 3D per applicazioni di fotonica al silicio, così come per lo studio della nuova fisica dei semiconduttori.

Gli scienziati, Margaux Chanal et al. da istituti in Francia, Qatar, Russia, e Grecia, hanno pubblicato il loro articolo "Attraversare la soglia della scrittura laser ultraveloce in silicio sfuso" in un recente numero di Comunicazioni sulla natura .

In precedenti tentativi di scrittura laser ultraveloce su silicio sfuso, gli scienziati hanno scoperto che i laser a femtosecondi semplicemente non erano in grado di manipolare strutturalmente la massa di silicio, anche quando l'energia laser è stata aumentata alla massima intensità di impulso tecnologicamente possibile.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno scoperto che, fortunatamente, non esiste alcun limite fisico che impedisca le manipolazioni strutturali ultraveloci indotte dal laser del silicio sfuso. Anziché, hanno scoperto che l'energia laser deve essere erogata nel mezzo in modo brusco per ridurre al minimo le perdite dovute all'assorbimento non lineare. Questa scoperta ha rivelato che il problema di tutti gli sforzi passati è sorto dalla piccola apertura numerica del laser (NA), che si riferisce alla gamma di angoli su cui la luce laser focalizzata può essere consegnata. I ricercatori hanno calcolato che, per ottenere i risultati desiderati, sarebbe necessario ottenere valori di NA estremi che finora non sono stati realizzati in quest'area.

Per raggiungere questi valori estremi di NA, i ricercatori hanno preso in prestito una tecnica dalla microscopia avanzata chiamata microscopia a immersione solida. L'idea è simile alla microscopia a immersione liquida comunemente usata, in cui una piccola goccia d'olio viene posta sul vetrino. Poiché l'olio ha un indice di rifrazione maggiore dell'aria, l'olio riduce la quantità di rifrazione ottica (flessione della luce) mentre la luce viaggia tra il vetrino e la lente del microscopio. Questo, a sua volta, aumenta la NA e la risoluzione del microscopio associato (la NA per un microscopio misura l'intervallo di angoli su cui la luce viene raccolta anziché erogata). La differenza con la microscopia a immersione solida è che al posto di un liquido viene utilizzato un materiale solido con un alto indice di rifrazione.

Nel nuovo studio, i ricercatori hanno utilizzato sfere di silicio come mezzo di immersione solida. Hanno scoperto che, quando si focalizza il laser al centro di una sfera, potrebbero sopprimere completamente la rifrazione e aumentare notevolmente la NA. I valori estremi di NA hanno permesso agli impulsi laser di ottenere una ionizzazione sufficiente per rompere i legami chimici nel silicio, che a sua volta provoca cambiamenti strutturali permanenti nel materiale.

"La comprensione approfondita della fisica dell'interazione e della propagazione di impulsi laser ultracorti in semiconduttori a banda proibita bassa, come il silicio, ci ha permesso di risolvere questo annoso problema e di ottenere modifiche strutturali controllate dei materiali, appropriato per le applicazioni, " coautore Stelios Tzortzakis, presso la Texas A&M University in Qatar, VIA, e l'Università di Creta in Grecia, detto Phys.org . "Ancora di più, la deposizione di energia localizzata nel mezzo si traduce in fasi fuori equilibrio con gradienti termici e di pressione estremi che possono consentire la creazione e lo studio di nuovi stati della materia, precedentemente irraggiungibile in ambienti di laboratorio."

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di spingere ulteriormente i confini di questo approccio prendendo in prestito un'altra tecnica di microscopia chiamata disposizione 4-Pi. Questo concetto prevede l'incrocio di più impulsi laser con valori NA estremi al centro delle sfere, che può portare a possibilità ancora maggiori nella scrittura laser ultraveloce su silicio sfuso e altri semiconduttori.

"La scrittura laser 3D applicabile al silicio può cambiare drasticamente il modo in cui le cose sono progettate e fabbricate nell'importante campo della fotonica del silicio, " ha affermato il coautore David Grojo del CNRS/Università di Aix-Marseille in Francia. "La fotonica del silicio è vista come la prossima rivoluzione della microelettronica che utilizza la luce a livello di chip per l'elaborazione dei dati alla massima velocità. Però, rimane oggi un mondo 2D a causa dei metodi litografici planari utilizzati per la fabbricazione (tecnologia SOI). Con il nostro metodo possiamo immaginare l'equivalente di una stampante 3D per la prototipazione rapida di qualsiasi architettura innovativa. Ciò consentirà agli specialisti della fotonica del silicio di progettare cose in 3D che devono rappresentare un vero stimolo per l'emergere di tecnologie dirompenti e nuovi concetti".

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