(Phys.org)—Cela a pris plus de 20 ans, mais les chercheurs ont démontré pour la première fois que les lasers femtosecondes peuvent être utilisés pour manipuler structurellement le silicium massif pour des applications de haute précision. Depuis la fin des années 90, les chercheurs ont utilisé les impulsions ultracourtes des lasers femtosecondes pour écrire dans des matériaux en vrac avec de larges bandes interdites, qui sont généralement des isolants. Mais jusqu'à maintenant, une écriture laser ultrarapide précise n'a pas été possible pour les matériaux avec des bandes interdites étroites, comme le silicium et d'autres semi-conducteurs.

Les chercheurs s'attendent à ce que les résultats ouvrent les portes de l'écriture laser 3D pour les applications photoniques sur silicium, ainsi que pour l'étude de la nouvelle physique des semi-conducteurs.

Les scientifiques, Margaux Chanal et al., des instituts en France, Qatar, Russie, et la Grèce, ont publié leur article "Crossing the threshold of ultrafast laser writing in bulk silicon" dans un récent numéro de Communication Nature .

Dans les tentatives précédentes d'écriture laser ultrarapide dans du silicium massif, les scientifiques ont découvert que les lasers femtoseconde n'étaient tout simplement pas capables de manipuler structurellement le silicium en vrac, même lorsque l'énergie laser a été augmentée jusqu'à l'intensité d'impulsion la plus élevée technologiquement possible.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que, Heureusement, il n'y a aucune limite physique qui empêche les manipulations structurelles ultrarapides induites par laser du silicium massif. Au lieu, ils ont découvert que l'énergie laser doit être délivrée dans le milieu de manière abrupte afin de minimiser les pertes dues à l'absorption non linéaire. Cette découverte a révélé que le problème de tous les efforts passés résultait de la petite ouverture numérique (NA) du laser, qui fait référence à la plage d'angles sur laquelle la lumière laser focalisée peut être délivrée. Les chercheurs ont calculé que, afin d'obtenir les résultats souhaités, il serait nécessaire d'obtenir des valeurs NA extrêmes qui n'ont pas encore été réalisées dans ce domaine.

Pour atteindre ces valeurs NA extrêmes, les chercheurs ont emprunté une technique de microscopie avancée appelée microscopie à immersion solide. L'idée est similaire à la microscopie à immersion liquide couramment utilisée, dans laquelle une petite goutte d'huile est déposée sur la lame. Comme l'huile a un indice de réfraction plus élevé que l'air, l'huile réduit la quantité de réfraction optique (courbure de la lumière) lorsque la lumière se déplace entre la lame et la lentille du microscope. Cette, à son tour, augmente la NA et la résolution du microscope associé (la NA d'un microscope mesure la plage d'angles sur laquelle la lumière est collectée plutôt que délivrée). La différence avec la microscopie à immersion solide est qu'un matériau solide avec un indice de réfraction élevé est utilisé à la place d'un liquide.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé des sphères de silicium comme milieu d'immersion solide. Ils ont trouvé que, lors de la focalisation du laser au centre d'une sphère, ils pourraient supprimer complètement la réfraction et augmenter considérablement la NA. Les valeurs extrêmes de NA ont permis aux impulsions laser d'atteindre une ionisation suffisante pour rompre les liaisons chimiques dans le silicium, ce qui à son tour provoque des changements structurels permanents dans le matériau.

"La compréhension approfondie de la physique de l'interaction et de la propagation des impulsions laser ultracourtes dans les semi-conducteurs à faible bande interdite, comme le silicium, nous a permis de résoudre ce problème de longue date et de réaliser des modifications structurelles matérielles maîtrisées, approprié pour les applications, " co-auteur Stelios Tzortzakis, à la Texas A&M University au Qatar, EN AVANT, et l'Université de Crète en Grèce, Raconté Phys.org . "Encore plus, le dépôt d'énergie localisé dans le milieu se traduit par des phases hors d'équilibre avec des gradients thermiques et de pression extrêmes qui peuvent permettre la création et l'étude de nouveaux états de la matière, auparavant inaccessibles dans les environnements de laboratoire."

À l'avenir, les chercheurs prévoient de repousser davantage les limites de cette approche en empruntant une autre technique de microscopie appelée arrangement 4-Pi. Ce concept consiste à croiser plusieurs impulsions laser avec des valeurs NA extrêmes au centre des sphères, ce qui peut conduire à des possibilités encore plus grandes d'écriture laser ultrarapide dans du silicium massif et d'autres semi-conducteurs.

"L'écriture laser 3D applicable au silicium peut changer radicalement la façon dont les choses sont conçues et fabriquées dans le domaine important de la photonique sur silicium, " a déclaré le coauteur David Grojo au CNRS/Université d'Aix-Marseille en France. " La photonique sur silicium est considérée comme la prochaine révolution de la microélectronique utilisant la lumière au niveau des puces pour un traitement de données ultra rapide. Cependant, il reste aujourd'hui un monde 2D en raison des méthodes de lithographie planaire utilisées pour la fabrication (technologie SOI). Avec notre méthode, nous pouvons imaginer l'équivalent d'une imprimante 3D pour le prototypage rapide de toute architecture innovante. Cela permettra aux spécialistes de la photonique sur silicium de concevoir des choses en 3D qui doivent représenter un véritable booster pour l'émergence de technologies de rupture et de nouveaux concepts."

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