Группа ученых из Москвы и Санкт-Петербурга исследовала оптические свойства нанопроволок фосфида галлия и показала, что из этих кристаллов можно делать сложные оптические элементы для интегральных схем компьютеров будущего. Работа опубликована в научном журнале Small.
Производительность компьютеров и смартфонов напрямую зависит от числа транзисторов, которые можно уместить на их микросхеме. Например, современные ноутбуки содержат несколько десятков миллиардов транзисторов. С каждым годом размеры электронных компонент уменьшаются, но разработчики уже близки к пределу, когда квантовые эффекты будут вмешиваться в работу процессоров. Кроме того, использование электронов для передачи и обработки информации неминуемо ведет к выделению тепла в металлических шинах. Поэтому ученые ищут альтернативные способы повысить производительность компьютеров. Одно из таких направлений — оптические интегральные схемы, в которых информация передается с помощью света. Фотоны гораздо слабее взаимодействуют с проводником, исключая нагрев устройств. Оптические сигналы уже зарекомендовали себя для передачи данных в оптоволокнах, но на наномасштабах, иначе — на чипе, готовых решений пока нет. Ученые из МФТИ подбирают оптимальные материалы, подходящие для создания оптических наноустройств. Такие материалы должны пропускать видимый свет (а еще лучше ультрафиолетовый) и иметь низкие оптические потери. Недавно ученые МФТИ показали теоретически, что на основе гексагонального нитрида бора можно создавать оптические волноводы размерами порядка 40 нанометров.
В данном исследовании в качестве одного из перспективных материалов физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ с коллегами изучили фосфид галлия. Ученые изготовили волноводы из его нанокристаллов, определили минимальный допустимый диаметр, при котором они будут передавать свет, и создали из двух кристаллов разветвитель.
Для эксперимента ученые вырастили на кремниевой подложке нитиевидные нанокристаллы фосфида галлия разных диаметров. Такие «нити» можно использовать в качестве волновода — канала передающего свет, по сути, простейшего оптического элемента.
Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ говорит: «Мы показываем, что используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нанометров — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».
В первой части эксперимента физики исследовали влияние диаметра волновода на его светопроводящие свойства. На один конец нанокристалла известного диаметра фокусировали лазерный пучок и смотрели в оптический микроскоп, высвечивается ли свет на другом конце. Минимальный диаметр кристалла, при котором свет проходил через волновод, зависел от длины волны лазера. Чем больше длина волны, тем шире должен быть волновод.
Слева — изображение нанопроволок фосфида галлия, полученные электронным микроскопом (масштаб 5 микрометров). В нижней части рисунка изображен отдельный нанокристалл (масштаб 1 микрометр), на гистограмме — распределение размеров полученных кристаллов (в нанометрах), а под ней — вид торцевой части кристалла. Справа показан процесс передачи света через нанокристалл. На верхнем фото видно, что свет высвечивается на другом конце кристалла, на нижнем — свет не проходит из-за малого диаметра кристалла.
Затем ученые более детально исследовали пропускающие способности волновода. Для этого они вводили широколополосное лазерное излучение (от видимого до ближнего инфракрасного диапазона) в один конец нанопроволоки и измеряли спектр на другом. Выходной спектр зависел от ее диаметра. Определенные провода показали проявление пиков в спектрах пропускания. Это значит, что волноводы из фосфида галлия проявляют резонансные свойства — с их помощью можно усиливать свет определенной частоты, достигая фильтрации сигнала или генерацию лазерного излучения на наномасштабе.
В последней части работы исследователи создали еще один элемент оптической схемы — разветвитель. Они изогнули две нанопроволоки и соединили друг с другом в форме буквы «X». Освещая кончик одной из них, физики получали световой сигнал на концах обоих нанокристаллов, правда, разной частоты, то есть свет перетекал из одного волновода в другой. Соединяя несколько таких нанопроволок друг с другом можно создавать более сложные оптические элементы, необходимые для оптических схем. Стоит отметить, что эластичность и сохранение изгиба на подложке— уникальная характеристика нанокристаллов фосфида галлия. Ученые показали, что даже при сильном изгибе материал не разрушается, сохраняет форму и пропускает свет.
Отличные оптические характеристики: низкие потери, пропускание видимого и инфракрасного света, а также механические — эластичность, делают фосфид галлия перспективным материалом для нанооптических устройств. Физики Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ показали, что на его основе можно создавать не только простейшие волноводы, но и фильтры, резонаторы и сложные элементы для оптических микросхем.
Алексей Большаков поделился планами: «Мы экспериментально показали и теоретически объяснили, какие размеры должен иметь волновод из фосфида галлия, чтобы поддерживать передачу света. Далее направим усилия на изготовление более сложных оптических элементов: фильтров, интерферометров. Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов. Также мы создаем из других материалов волноводы, которые будут работать на других длинах волн света».
В работе кроме сотрудников лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ принимали участие их коллеги из Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Политехнического университета (все — Санкт-Петербург) и Ереванского государственного университета.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и Российского научного фонда.
