나노와 거시적 사이의 격차를 해소하는 자체 제작 Bowtie 공진기

양자 광학 및 포토닉스의 핵심 목표는 빛과 물질 사이의 상호 작용 강도를 높여 더 나은 광검출기 또는 양자 광원을 생산하는 것입니다. 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 빛을 오랫동안 저장하여 물질과 더욱 강력하게 상호 작용하는 광학 공진기를 사용하는 것입니다. 공진기가 매우 작아서 빛이 작은 공간 영역으로 압착되면 상호 작용이 더욱 향상됩니다. 이상적인 공진기는 단일 원자 크기의 영역에 오랫동안 빛을 저장합니다.

물리학자들과 엔지니어들은 손실을 많이 발생시키지 않으면서 광학 공진기를 얼마나 작게 만들 수 있는지에 대해 수십 년 동안 고심해 왔습니다. 이는 반도체 장치를 얼마나 작게 만들 수 있는지 묻는 것과 같습니다. 반도체 업계의 향후 15년 로드맵에서는 반도체 구조의 가능한 가장 작은 너비가 수십 원자 폭인 8nm 이상일 것으로 예측하고 있다.

Nature의 새로운 논문을 발표한 팀인 DTU Electro의 Søren Stobbe 부교수와 그의 동료들은 작년에 8nm 공동을 시연했지만 이제 그들은 몇 개의 원자. 결과를 자세히 설명하는 논문 ‘원자 규모 감금을 통한 자가 조립 광자 공동’이 오늘 출판되었습니다. 자연.

실험을 간략하게 설명하기 위해 실리콘 구조의 두 반쪽이 스프링에 매달려 있지만 첫 번째 단계에서는 실리콘 장치가 유리 층에 단단히 부착됩니다. 이 장치는 기존의 반도체 기술로 만들어지므로 두 부분의 간격은 수십 나노미터입니다. 유리를 선택적으로 에칭하면 구조가 해제되고 이제 스프링에 의해서만 매달리게 됩니다. 두 부분이 서로 너무 가깝게 제작되었기 때문에 표면력으로 인해 서로 끌어당깁니다. 실리콘 구조 설계를 세심하게 엔지니어링함으로써 실리콘 거울로 둘러싸인 원자 규모의 나비넥타이 모양의 간격을 갖춘 자체 조립 공진기가 탄생했습니다.

“우리는 완전히 자체적으로 구축되는 회로와는 거리가 멀습니다. 그러나 우리는 지금까지 평행 트랙을 따라 이동해 온 두 가지 접근 방식을 통합하는 데 성공했습니다. 그리고 이를 통해 전례 없는 소형화로 실리콘 공진기를 구축할 수 있었습니다.”라고 Søren Stobbe는 말합니다.

두 가지 별도의 접근 방식

한 가지 접근 방식인 하향식 접근 방식은 실리콘 기반 반도체 기술의 눈부신 발전 뒤에 있습니다. 대략적으로 말하면, 실리콘 블록을 사용하여 나노구조를 만드는 작업을 합니다. 또 다른 접근 방식인 상향식 접근 방식은 나노기술 시스템이 스스로 조립되도록 하는 것입니다. 이는 생물학적 또는 화학적 과정을 통해 구축된 식물이나 동물과 같은 생물학적 시스템을 모방하는 것을 목표로 합니다. 이 두 가지 접근법은 나노기술을 정의하는 핵심입니다. 그러나 문제는 이 두 가지 접근 방식이 지금까지 단절되어 있다는 것입니다. 반도체는 확장 가능하지만 원자 규모에 도달할 수 없으며, 자기 조립 구조는 오랫동안 원자 규모에서 작동해 왔지만 외부 세계와의 상호 연결을 위한 아키텍처를 제공하지 않습니다.

“흥미로운 점은 인간이 성장하면서 발생하는 것과 같지만 무기 반도체 재료를 사용하여 스스로 구축되는 전자 회로를 생산할 수 있다면 가능하다는 것입니다. 이것이 진정한 계층적 자기 조립이 될 것입니다. 우리는 새로운 자기 조립 개념을 사용합니다. 전자, 나노로봇 공학, 센서, 양자 기술 등에 사용될 수 있는 광자 공진기를 위한 것입니다. 그러면 우리는 실제로 나노기술의 잠재력을 최대한 활용할 수 있을 것입니다. 연구 커뮤니티는 그 비전을 실현하기까지는 많은 돌파구가 필요하지만, 우리가 첫 번째 단계를 밟았기를 바랍니다.”라고 프로젝트를 공동 감독한 Guillermo Arregui는 말합니다.

수렴하는 접근 방식

두 가지 접근법의 조합이 가능하다고 가정하고 DTU Electro 팀은 기존 리소그래피와 에칭 외에는 아무것도 사용하지 않음에도 불구하고 기존 리소그래피와 에칭의 한계를 뛰어넘는 나노구조를 만들기 시작했습니다. 그들의 아이디어는 두 개의 표면력, 즉 두 반쪽을 끌어당기는 카시미르 힘과 두 반쪽을 서로 붙게 만드는 반 데르 발스 힘을 사용하는 것이었습니다. 이 두 가지 힘은 동일한 기본 효과인 양자 변동에 뿌리를 두고 있습니다(사실 상자 참조).

연구진은 광자를 공극에 가두는 광자 공동을 너무 작아서 투과 전자 현미경으로도 정확한 크기를 결정하는 것이 불가능했습니다. 그러나 그들이 만든 가장 작은 것은 1-3개의 실리콘 원자 크기입니다.

“자기 조립이 이러한 극단적인 크기에 도달하더라도 나노제조에 대한 요구 사항은 그다지 극단적이지 않습니다. 예를 들어 구조적 결함은 일반적으로 수 나노미터 규모입니다. 그럼에도 불구하고 이 규모에 결함이 있는 경우 두 개의 반쪽은 세 개의 가장 큰 결함에서만 만나고 접촉할 것입니다. 우리는 세계 최고의 대학 클린룸 중 하나에서 장치를 만들고 있음에도 불구하고 여기서는 실제로 한계를 뛰어넘고 있습니다.”라고 박사 과정 학생인 Ali Nawaz Babar는 말합니다. DTU Electro의 NanoPhoton Center of Excellence이자 새 논문의 첫 번째 저자입니다.

“자가 조립의 장점은 작은 것을 만들 수 있다는 것입니다. 놀라운 특성을 지닌 독특한 재료를 만들 수 있습니다. 하지만 오늘날에는 전원 콘센트에 연결하는 모든 용도로 사용할 수 없습니다. 따라서 자체 조립한 모든 것을 외부 세계에 연결하려면 와이어나 도파관을 만드는 데 일반적인 반도체 기술이 모두 필요합니다.”

견고하고 정확한 자체 조립

이 논문은 자기 조립으로 가능해진 원자 크기와 기존 방법으로 제조된 반도체의 확장성을 결합하는 차세대 제조 기술을 사용하여 두 가지 나노기술 접근 ​​방식을 연결할 수 있는 방법을 보여줍니다.

“나중에 이러한 구멍을 찾아서 다른 칩 아키텍처에 삽입할 필요가 없습니다. 그것도 작은 크기 때문에 불가능할 것입니다. 즉, 우리는 이미 칩에 삽입된 원자 규모로 무언가를 만들고 있는 것입니다. 거시적인 회로입니다. 우리는 이 새로운 연구 라인에 대해 매우 기대하고 있으며 앞으로 많은 작업이 진행될 예정입니다.”라고 Søren Stobbe는 말합니다.

표면력

알려진 기본 힘에는 중력, 전자기력, 강하고 약한 핵력이라는 네 가지 힘이 있습니다. 정적 구성으로 인한 힘(예: 양전하 입자와 음전하 입자 사이의 인력 전자기력) 외에 변동으로 인한 힘도 있을 수 있습니다. 이러한 변동은 원래 열적이거나 양자적일 수 있으며 반 데르 발스 힘 및 카시미르 힘과 같은 표면력을 발생시킵니다. 이는 서로 다른 길이 척도에서 작동하지만 동일한 기본 물리학에 뿌리를 두고 있습니다. 정전기 표면 전하와 같은 다른 메커니즘이 순 표면력에 추가될 수 있습니다. 예를 들어, 도마뱀붙이는 벽과 천장에 달라붙기 위해 표면력을 이용합니다.

어떻게 이루어졌는가

이 논문에서는 연구원들이 DTU 실험실에서 수행한 세 가지 실험을 자세히 설명합니다.

1. 2개의 마이크로칩에 걸쳐 2688개 이상의 장치가 제작되었으며, 각 장치에는 표면적 세부 사항, 스프링 상수, 플랫폼과 벽 사이의 거리에 따라 근처의 실리콘 벽으로 붕괴되거나 붕괴되지 않는 플랫폼이 포함되어 있습니다. 이를 통해 연구자들은 결정론적 자기 조립으로 이어질 매개변수와 그렇지 않은 매개변수에 대한 지도를 만들 수 있었습니다. 제조 오류나 기타 결함으로 인해 고장난 장치는 11개에 불과했는데, 이는 새로운 자체 조립 공정에 비해 현저히 낮은 수치입니다.
2. 연구진은 광학적 특성이 실험적으로 검증된 자기조립형 광공진기를 만들었고, 투과전자현미경을 통해 원자 규모를 확인했다.
3. 자체 조립된 캐비티는 자체 조립된 도파관, 스프링 및 포토닉 커플러로 구성된 더 큰 아키텍처에 내장되어 동일한 프로세스에서 주변 마이크로칩 회로를 만듭니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/12/231206115926.htm