(Phys.org) —Já demorou mais de 20 anos, mas os pesquisadores demonstraram pela primeira vez que os lasers de femtossegundo podem ser usados ​​para manipular estruturalmente o silício em massa para aplicações de alta precisão. Desde o final dos anos 90, pesquisadores têm usado os pulsos ultracurtos dos lasers de femtossegundo para gravar em materiais a granel com lacunas de banda larga, que são normalmente isolantes. Mas até agora, a gravação a laser ultrarrápida precisa não foi possível para materiais com lacunas de banda estreitas, como silício e outros semicondutores.

Os pesquisadores esperam que os resultados abram as portas para a escrita a laser 3D para aplicações fotônicas de silício, bem como para estudar nova física em semicondutores.

Os cientistas, Margaux Chanal et al., de institutos na França, Catar, Rússia, e Grécia, publicaram seu artigo "Cruzando o limiar da gravação a laser ultrarrápida em silício a granel" em uma edição recente da Nature Communications .

Em tentativas anteriores de gravação a laser ultrarrápida em silício a granel, os cientistas descobriram que os lasers de femtossegundo simplesmente não eram capazes de manipular estruturalmente o silício em massa, mesmo quando a energia do laser foi aumentada para a intensidade de pulso mais alta tecnologicamente possível.

No novo estudo, os pesquisadores descobriram que, Felizmente, não há limite físico que impeça manipulações estruturais do silício em massa induzidas por laser ultrarrápidas. Em vez de, eles descobriram que a energia do laser deve ser distribuída no meio de forma abrupta para minimizar as perdas por absorção não linear. Esta descoberta revelou que o problema de todos os esforços anteriores surgiu da pequena abertura numérica (NA) do laser, que se refere à faixa de ângulos sobre os quais a luz laser focada pode ser distribuída. Os pesquisadores calcularam que, para alcançar os resultados desejados, seria necessário obter valores extremos de NA que até agora não foram realizados nesta área.

A fim de alcançar esses valores extremos de NA, os pesquisadores pegaram emprestada uma técnica de microscopia avançada chamada microscopia de imersão sólida. A ideia é semelhante à microscopia de imersão líquida comumente usada, em que uma pequena gota de óleo é colocada na lâmina. Como o óleo tem um índice de refração maior do que o ar, o óleo reduz a quantidade de refração óptica (curvatura da luz) conforme a luz viaja entre a lâmina e a lente do microscópio. Esse, por sua vez, aumenta o NA e a resolução do microscópio associado (o NA de um microscópio mede a faixa de ângulos sobre os quais a luz é coletada em vez de fornecida). A diferença com a microscopia de imersão sólida é que um material sólido com um alto índice de refração é usado em vez de um líquido.

No novo estudo, os pesquisadores usaram esferas de silício como meio de imersão sólido. Eles descobriram que, ao focar o laser no centro de uma esfera, eles poderiam suprimir completamente a refração e aumentar muito o NA. Os valores extremos de NA permitiram que os pulsos de laser alcançassem ionização suficiente para quebrar as ligações químicas no silício, que por sua vez causa mudanças estruturais permanentes no material.

"A compreensão aprofundada da física da interação e propagação de pulsos de laser ultracurtos em semicondutores de banda baixa, como silício, nos permitiu resolver este problema de longa data e conseguir modificações estruturais de materiais controladas, apropriado para aplicações, "co-autor Stelios Tzortzakis, na Texas A&M University no Qatar, ADIANTE, e a Universidade de Creta na Grécia, contado Phys.org . "Ainda mais, a deposição de energia localizada no meio resulta em fases fora de equilíbrio com gradientes térmicos e de pressão extremos que podem permitir a criação e o estudo de novos estados da matéria, anteriormente inacessível em ambientes de laboratório. "

No futuro, os pesquisadores planejam expandir ainda mais os limites dessa abordagem, tomando emprestada outra técnica de microscopia chamada arranjo 4-Pi. Este conceito envolve o cruzamento de vários pulsos de laser com valores extremos de NA nos centros das esferas, o que pode levar a possibilidades ainda maiores na gravação a laser ultrarrápida em silício a granel e outros semicondutores.

"A escrita a laser 3D aplicável ao silício pode mudar drasticamente a forma como as coisas são projetadas e fabricadas no importante campo da fotônica de silício, "disse o co-autor David Grojo do CNRS / Aix-Marseille University na França." A fotônica de silício é vista como a próxima revolução da microeletrônica usando luz no nível do chip para processamento de dados em velocidade máxima. Contudo, permanece hoje um mundo 2D devido aos métodos litográficos planares usados ​​para a fabricação (tecnologia SOI). Com nosso método, podemos imaginar o equivalente a uma impressora 3D para prototipagem rápida de qualquer arquitetura inovadora. Isso possibilitará aos especialistas em fotônica de silício projetar coisas em 3D que devem representar um impulsionador real para o surgimento de tecnologias disruptivas e novos conceitos. "

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