p Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT) demonstraram experimentalmente pela primeira vez que os componentes nanofotônicos de cobre podem operar com sucesso em dispositivos fotônicos - anteriormente se acreditava que apenas os componentes de ouro e prata poderiam fazer isso. Os componentes de cobre não são apenas tão bons quanto os componentes baseados em metais nobres; eles também podem ser facilmente implementados em circuitos integrados usando processos de fabricação padrão da indústria. “É uma espécie de revolução - o uso do cobre resolverá um dos principais problemas da nanofotônica, "dizem os autores do artigo. Os resultados foram publicados na revista científica Nano Letras . p A descoberta, que é revolucionário para a fotônica e os computadores do futuro, foi feito por pesquisadores do Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do Centro de Optoeletrônica em nanoescala do MIPT. Eles tiveram sucesso, pela primeira vez, na produção de componentes nanofotônicos de cobre, cujas características são tão boas quanto as dos componentes de ouro. É interessante notar que os cientistas fabricaram os componentes de cobre usando o processo compatível com as tecnologias de fabricação padrão da indústria que são usadas hoje para produzir circuitos integrados modernos. Isso significa que, em um futuro muito próximo, os componentes nanofotônicos de cobre formarão uma base para o desenvolvimento de fontes de luz com eficiência energética, sensores ultra-sensíveis, bem como processadores optoeletrônicos de alto desempenho com vários milhares de núcleos.

p A descoberta foi feita sob o que é conhecido como nanofotônica - um ramo de pesquisa que visa, entre outras coisas, para substituir componentes existentes em dispositivos de processamento de dados por componentes mais modernos, usando fótons em vez de elétrons. Contudo, enquanto os transistores podem ser reduzidos em tamanho para alguns nanômetros, a difração de luz limita as dimensões mínimas dos componentes fotônicos ao tamanho de cerca do comprimento de onda da luz (~ 1 micrômetro). Apesar da natureza fundamental deste chamado limite de difração, pode-se superá-lo usando estruturas dielétricas de metal para criar componentes fotônicos verdadeiramente em nanoescala. Em primeiro lugar, a maioria dos metais mostra uma permissividade negativa em frequências ópticas, e a luz não pode se propagar através deles, penetrando a uma profundidade de apenas 25 nanômetros. Em segundo lugar, a luz pode ser convertida em polaritons de plasmão de superfície, ondas de superfície que se propagam ao longo da superfície de um metal. Isso torna possível mudar de fotônica 3D convencional para fotônica de plasmon de superfície 2D, que é conhecido como plasmonics. Isso oferece a possibilidade de controlar a luz em uma escala de cerca de 100 nanômetros, ou seja, muito além do limite de difração.

p Anteriormente, acreditava-se que apenas dois metais - ouro e prata - poderiam ser usados ​​para construir nanoestruturas dielétricas-metal nanofotônicas eficientes e também se pensava que nenhum outro metal poderia substituir esses dois materiais, pois exibem forte absorção. Contudo, na prática, criar componentes usando ouro e prata não é possível porque esses metais, ambos nobres, não entre em reações químicas, e é, portanto, extremamente difícil, caro e em muitos casos impossível de usá-los para criar nanoestruturas - a base da fotônica moderna.

p Pesquisadores do Laboratório de Nanoótica e Plasmônica do MIPT encontraram uma solução para o problema. Com base em uma generalização da teoria para os chamados metais plasmônicos, em 2012, eles descobriram que o cobre como um material óptico não pode apenas competir com o ouro, também pode ser uma alternativa melhor. Ao contrário do ouro, o cobre pode ser facilmente estruturado usando corrosão úmida ou seca. Isso oferece a possibilidade de fazer componentes em nanoescala que são facilmente integrados em circuitos integrados fotônicos ou eletrônicos de silício. Demorou mais de dois anos para os pesquisadores adquirirem o equipamento necessário, desenvolver o processo de fabricação, produzir amostras, realizar várias medições independentes, e confirmar esta hipótese experimentalmente. "Como resultado, conseguimos fabricar chips de cobre com propriedades ópticas que não são de forma alguma inferiores aos chips baseados em ouro, "diz o líder de pesquisa Dmitry Fedyanin." Além disso, Conseguimos fazer isso em um processo de fabricação compatível com a tecnologia CMOS, que é a base para todos os circuitos integrados modernos, incluindo microprocessadores. É uma espécie de revolução na nanofotônica ”.

p Os pesquisadores observam que as propriedades ópticas dos filmes finos de cobre policristalino são determinadas por sua estrutura interna. A capacidade de controlar esta estrutura e reproduzir de forma consistente os parâmetros exigidos nos ciclos tecnológicos é a tarefa mais difícil. Contudo, eles conseguiram resolver este problema, demonstrando que é possível não só atingir as propriedades exigidas com o cobre, mas também que isso pode ser feito em componentes em nanoescala, que pode ser integrado com nanoeletrônica de silício e nanofotônica de silício. "Realizamos elipsometria dos filmes de cobre e depois confirmamos esses resultados usando microscopia óptica de varredura de campo próximo das nanoestruturas. Isso prova que as propriedades do cobre não são prejudicadas durante todo o processo de fabricação de componentes plasmônicos em nanoescala, "diz Dmitry Fedyanin.

p Esses estudos fornecem uma base para o uso prático de componentes nanofotônicos e plasmônicos de cobre, que em um futuro muito próximo será usado para criar LEDs, nanolasers, sensores e transdutores altamente sensíveis para dispositivos móveis, e processadores optoeletrônicos de alto desempenho com várias dezenas de milhares de núcleos para placas gráficas, computadores pessoais, e supercomputadores.