Mokslo ir technologijų pasaulis

Kalifornijos universiteto, esančio Berklyje (Berkeley), inžinieriai atrado būdą užauginti nanolazerius tiesiog ant silicio paviršiaus. Unikali nanostulpų struktūra įkalina šviesą mažame tūryje ir sukuria dalinių bangų ilgių nanolazerius. Šis atradimas gali būti pradžia naujos rūšies greitesnių ir efektyvesnių mikroprocesorių bei galingesnių biocheminių jutiklių, kurie naudoja optoelektroninius lustus. Inžinierių darbas buvo atspausdintas Nature Photonics žurnalo internetiniame leidinyje.

Mūsų gauti rezultatai yra svarbūs įvairioms mokslo sritims: medžiagų mokslui, tranzistorių technologijoms, lazerių mokslui, optoelektronikai bei optinei fizikai“, - pasakė tyrimų vadovas Konis Čangas-Hasnainas (Connie Chang-Hasnain), kuris taip pat yra Kalifornijos universiteto elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų profesorius.

Augantys reikalavimai elektronikos prietaisų spartai bei efektyvumui privertė mokslininkus ieškoti būdų, kaip panaudoti šviesos dalelių gebėjimą nešti didesnius informacijos kiekius lyginant su elektriniais signalais. Manoma, kad optinės jungtys padės išspręsti atsirandančius ryšių apribojimus kompiuterinių lustų viduje ar sąveikoje vieno su kitu.

Silicis sudaro moderniosios elektronikos pagrindą. Tačiau neįmanoma generuoti šviesos silicyje. Todėl mokslininkai atkreipė savo dėmesį į kitą medžiagų klasę – III-V grupės puslaidininkius tam, kad sukurtų šviesą generuojančius komponentus, tokius kaip šviesos diodus (LED) ar lazerius.

Tačiau sujungti III-V grupei priklausančius elementus su siliciu į vieną optoelektroninį lustą nėra paprasta, nors visi elementai yra puslaidininkinės medžiagos. Viena iš šios problemos priežasčių – skirtinga atominė abiejų medžiagų struktūra.

„III-V grupės puslaidininkinių medžiagų plėvelių auginimas ant silicio yra panašus į bandymą sujungti dvi nesutampančias dėliones dalis, - pasakė straipsnio vedantysis autorius ir Kalifornijos universiteto elektros inžinerijos ir kompiuterių mokslų absolventas Rodžeris Čenas (Roger Chen). - Tai padaryti galima, bet auginimo proceso metu medžiaga pažeidžiama“.

Šiuolaikinė puslaidininkių pramonė yra pagrįsta medžiagų, kurių pagrindą sudaro silicis, gamyba. Todėl dėl praktinių priežasčių reikėjo sugalvoti, kaip įterpti III-V grupės puslaidininkinių medžiagų apdirbimą į dabartinę infrastruktūrą, sakė mokslininkas.

„Šiandien yra labai sudėtinga ką nors pakeisti visa apimančioje silicio elektronikos infrastruktūroje. Tam turi įtakos ir ekonominės, ir technologinės priežastys. Todėl bet kokios naujovės kūrimas turi derėti prie silicio pramonės, - pasakė Čangas-Hasnainas. - Viena iš problemų, iškylančių III-V grupės puslaidininkių auginime, yra aukšta temperatūra – apie 700 laipsnių Celsijaus. Tokia aukšta temperatūra sunaikintų elektroniką“.

Tyrėjai išsprendė šią problemą suradę kelią kaip auginti nanostulpus silicio paviršiuje prie santykinai žemos, 400 laipsnių Celsijaus temperatūros. Auginimui buvo naudojamas indžio galio arsenidas, kuris priklauso III-V puslaidininkų grupei.

„Kadangi buvo dirbama nanolygmenyje, mums pavyko išauginti aukštos kokybės III-V grupės medžiagas. Žema temperatūra užtikrina, kad silicio elektronika išlaiko savo naudingąsias savybes“.

Mokslininkai, augindami nanostulpus silicio paviršiuje, panaudojo metalo-organinį garinimą. „Ši technologija yra plačiai taikoma ir prieinama, kadangi tokia sistema yra naudojama gaminant plonų plėvelių saulės elementus bei šviesos diodus“, - pasakė Čangas.

Kai tik nanostulpai buvo pagaminti, mokslininkai pademonstravo, kad jie gali kambario temperatūroje generuoti lazerio šviesą beveik infraraudonųjų spindulių spektro dalyje – bangos ilgis apie 950 nm. Šešiakampė nanostulpų kristalo struktūra sukūrė naują ir efektyvų optinį rezonatorių. Šviesa, judėdama nanostulpu aukštyn ir žemyn, yra sustiprinama.

Naujasis būdas nanolazeriams auginti tiesiai ant silicio paviršiaus gali būti pritaikytas silicio fotonikai. Labai mažų matmenų nanostulpai (kurie daugeliu atveju yra mažesni nei išspinduliuojamas bangos ilgis) suteikia galimybę juos sudėti į mažą erdvės plotelį. Jų smulkumas taip pat užtikrina mažas energijos sąnaudas.

„Ši technika gali atverti visiškai naują taikymų erdvę kuriant nanofotoninius įrenginius ir talpinant juos ant lustų. Jie galėtų būti naudojami lazeriuose, fotodetektoriuose ar saulės elementuose“, - pasakė Čenas.

„Šis tyrimas gali pagreitinti optoelektronikos panaudojimą skaičiavimo technikoje ar ryšio priemonėse. Ateityje mes tikimės patobulinti šių lazerių charakteristikas ir net juos elektroniškai valdyti, nes tikimės sujungti į vieną visumą fotoninius ir elektroninius prietaisus“, - sakė Čangas-Hasnainas.