Cabaran Memanipulasi Sistem Litografi Rasuk Elektron Cahaya Melukis Masa Depan
TEMUDUGA 05
Profesor Susumu Noda
Sekolah Siswazah Kejuruteraan dan Fakulti Kejuruteraan, Universiti Kyoto
Cip optik, inovasi laser semikonduktor, kawalan pelepasan haba dan sel suria berkecekapan tinggi, dsb... Kristal fotonik tanpa ragu-ragu adalah bahan inovatif yang menangkap masa depan. Profesor Susumu Noda dari Universiti Kyoto telah mengetuai pengajian dalam bidang ini sejak awal lagi dan terus berlari ke arah impian yang bercita-cita tinggi.
Bahan Ultra-moden – Kristal Fotonik
Dengan keupayaan untuk membelah, membengkok, menyimpan dan mengukuhkan cahaya, "kristal fotonik" ialah bahan inovatif yang mempunyai potensi besar untuk memanipulasi cahaya secara bebas dan dengan itu membawa lonjakan besar kemungkinan untuk peranti elektrik dan elektronik. Memandangkan cahaya mempunyai kelebihan iaitu ia bergerak lebih pantas daripada elektron dan hampir tidak melemahkan walaupun dalam perjalanan yang jauh, terdapat pelbagai percubaan untuk mengahwininya dengan elektronik. Walau bagaimanapun, sementara aliran elektron boleh dimanipulasi secara bebas dengan semikonduktor, untuk cahaya, tiada semikonduktor setara seperti itu wujud. Kristal fotonik hampir berfungsi sebagai "konduktor untuk cahaya" yang membolehkan manipulasi cahaya, seperti yang boleh dilakukan untuk elektron.
Satu contoh aplikasi yang mungkin bagi kristal fotonik ialah komputer berwayar optik dengan substrat dalaman yang dibuat dengan kristal fotonik. Untuk substrat konvensional, data dihantar oleh elektron antara komponen seperti CPU dan memori. Walau bagaimanapun, halaju elektron adalah terhad dan elektron semestinya menghasilkan haba, yang telah menjadi salah satu faktor utama yang menghalang peningkatan dalam kelajuan pemprosesan komputer. Menggunakan substrat yang dibuat dengan kristal fotonik, bagaimanapun, data boleh dibawa oleh cahaya antara komponen. Teknologi untuk menyimpan cahaya sengit pada satu titik dengan menggunakan kristal fotonik telah pun dicipta. Memajukan teknologi sedemikian akhirnya akan merealisasikan prestasi superkomputer hari ini dalam komputer bersaiz pengguna.
Kristal fotonik juga dijangka mencetuskan revolusi dalam laser semikonduktor. Walaupun teknologi laser semikonduktor telah maju dengan ketara dari segi panjang gelombang dan masa, ia ketinggalan daripada teknologi laser lain termasuk laser keadaan pepejal dan laser gas dari segi kuasa. Selain itu, kemajuannya dalam kuasa telah lama tertangguh. Jika operasi koheren kawasan besar direalisasikan sepenuhnya oleh laser kristal fotonik, operasi berkuasa tinggi dengan kualiti pancaran tinggi yang konsisten akan dapat dilakukan, yang akan menyebabkan revolusi baharu dalam bidang laser semikonduktor. Kemungkinan aplikasinya terdiri daripada industri pemprosesan, automotif dan penderiaan kepada laser pencucuhan untuk pelakuran nuklear. Saiz pasaran yang berpotensi adalah sangat besar.
Kristal fotonik juga dijangka mencetuskan pengubahsuaian teknologi pelepasan haba. Pelepasan haba di sini merujuk kepada fenomena penjanaan cahaya (gelombang elektromagnet) daripada objek yang dipanaskan. Selama bertahun-tahun, fenomena ini telah digunakan sebagai prinsip asas lampu dan sumber cahaya untuk analisis. Dalam pengertian ini, matahari juga merupakan pemancar haba, memancarkan cahaya dalam jalur yang sangat luas daripada cahaya ultraviolet kepada cahaya inframerah. Begitu juga, pemancar haba am memancarkan pelbagai cahaya yang tidak diperlukan untuk tujuan tertentu dan ini sangat merendahkan kecekapan penggunaan cahaya. Bagaimana jika pelepasan haba daripada objek boleh disatukan kepada panjang gelombang yang dikehendaki dan lebar garis yang dikehendaki tanpa kehilangan tenaga dan dikawal secara dinamik dan pada kadar ultra tinggi? Ia akan merealisasikan sumber cahaya inframerah berkecekapan tinggi dan kadar tinggi untuk pelbagai tujuan analisis dan meningkatkan kecekapan sistem penjanaan kuasa termofotovoltaik dengan ketara.
Struktur untuk Memanipulasi Cahaya Secara Bebas
Cahaya mempunyai ciri-ciri seperti gelombang, dan perbezaan panjang gelombang dalam julat cahaya visual diwakili sebagai warna yang berbeza. Sebab cahaya matahari dan cahaya pendarfluor kelihatan putih kepada kita adalah disebabkan oleh sintesis cahaya dalam pelbagai panjang gelombang. Tiang merah kelihatan merah kerana cahaya yang dipantulkan dari tiang berwarna merah dan cahaya yang satu lagi diserap atau transmissive. Pantulan, penyerapan dan penghantaran cahaya ditentukan oleh struktur molekul dan permukaan objek. Hablur fotonik bertujuan untuk mereka bentuk dan menghasilkan struktur mikro sedemikian untuk mengawal pantulan cahaya secara bebas (iaitu menukar arah cahaya) dan resonans cahaya (iaitu cahaya pengukuhan).
Prosedur untuk membuat kristal fotonik adalah mudah. Seperti dalam kes semikonduktor, komponen bahan utama ialah wafer silikon (atau wafer semikonduktor kompaun III-V). Prosedurnya adalah seperti berikut: Pertama, gunakan pancaran elektron untuk mencipta lubang udara sejajar teratur pada wafer. Ini membawa udara ke dalam liang. Kemudian sejumlah besar corak berulang dengan indeks biasan yang berbeza dicipta di antara bahagian semikonduktor dan pantulan berlaku pada sempadan. Akibatnya, ia menyebabkan fenomena pantulan Bragg di mana cahaya yang dipantulkan dari sempadan dalam arah tertentu mengganggu secara konstruktif dan cahaya lain mengganggu secara merosakkan dan hilang, dan menghasilkan apa yang dipanggil "penebat cahaya."
Struktur yang dipanggil "kecacatan buatan" adalah lebih penting. Apabila lubang udara dengan saiz atau bentuk yang berbeza dan/atau bahagian tanpa lubang udara dicipta pada corak liang sejajar yang teratur, kehadiran cahaya dibenarkan dalam bahagian tersebut, yang memungkinkan untuk menghantar atau menyimpan cahaya melalui bahagian tersebut . "Kecacatan" ini berfungsi sebagai sangkar cahaya. Oleh itu, adalah mungkin untuk mengawal secara fleksibel cara cahaya merambat dengan mengatur kecacatan dengan sewajarnya. (Gamb.1 menggambarkan pandangan tiga dimensi contoh litar fotonik pada wafer kristal fotonik.) Juga, jika kecacatan mikro (termasuk variasi mikro saiz kecacatan) dibuat, cahaya akan menumpu ke dalam kecacatan dan hanya cahaya panjang gelombang (s) sesuai dengan saiz lubang udara akan mengganggu secara membina. Struktur sedemikian akan merealisasikan kenangan menyimpan cahaya untuk litar fotonik dan peranti laser mikro. (Gamb.2 menunjukkan mikrograf elektron dua dimensi pandu gelombang optik dan resonator nano yang terbentuk pada wafer kristal fotonik.) Namun begitu, diameter lubang udara adalah sehalus kira-kira 200 nm, yang lebih kecil daripada saiz virus, dan ini bermakna ketepatan oleh nm diperlukan untuk pembuatan. Untuk mencapai fungsi yang dikehendaki, lokasi lubang udara mesti dikawal dalam sub-nanometer dan mesin yang sangat tepat diperlukan.
Fig.1
Imej tiga dimensi laluan cahaya melalui hablur fotonik
Fig.2
Corak dua dimensi lubang udara sejajar teratur dengan "kecacatan buatan" digunakan. Bahagian yang ditunjukkan sebagai "Nano-resonator" (antara garis putus-putus dengan selang pori 10 mm lebih lebar) boleh mengehadkan cahaya lebih lama. Bahagian yang ditunjukkan sebagai "Pandu Gelombang" (ketinggiannya lebih besar daripada nano-resonator) berfungsi untuk memandu cahaya dari luar ke nano-resonator. Oleh kerana diameter dan selang liang harus dikawal dalam nanometer, lukisan ketepatan oleh sistem litografi rasuk elektron diperlukan.
Tokoh Utama di sebalik Aplikasi Praktikal Kristal Fotonik
Pada masa ini, makmal Profesor Noda menggunakan sistem litografi pancaran elektron terkini JEOL untuk melukis laluan ke masa hadapan.
Susumu Noda, seorang Profesor di Universiti Kyoto, telah terlibat secara aktif dalam pembangunan kristal fotonik sejak 1980-an.
Selepas menamatkan sekolah siswazah, Profesor Noda muda menyertai Makmal Pusat di Mitsubishi Electric Corporation dan meneruskan penyelidikan mengenai teknologi laser. Mencapai tahap kepuasan tertentu dalam penyelidikannya, dia mula meneroka kemungkinan bahan optik generasi akan datang dan menumpukan perhatiannya pada kristal fotonik. Secara kebetulan, bekas profesornya menawarkan jawatan pembantu di Universiti Kyoto dan dia memutuskan untuk kembali ke akademik untuk penyelidikan asas.
“Pada masa itu, Jepun berada di puncak ekonomi gelembungnya. Oleh itu, persekitaran penyelidikan perusahaan swasta adalah jauh lebih baik daripada akademik kerana makmal universiti boleh, paling baik, hanya memperoleh beberapa juta yen setahun untuk perbelanjaan penyelidikan. Mereka sangat miskin sehingga ada yang menggunakan botol sake kosong sebagai bikar,” katanya.
Profesor itu berkata kristal fotonik mewakili impian yang begitu besar sehingga membuatkan dia bersemangat untuk meneruskan pengajian dalam keadaan yang begitu sukar.
“Apabila saya memulakan penyelidikan, ramai penyelidik mempersoalkan kemungkinan praktikalnya dan mereka percaya ia hanyalah fantasi semata-mata. Walaupun begitu, saya masih percaya kristal fotonik akan merealisasikan peranti utama untuk masa depan jika diamalkan."
Disebabkan kekurangan dana dan teknologi kejuruteraan nano yang tidak matang, penyelidikannya tidak dapat melepasi fasa teori. Sebahagian besar lonjakan dalam penyelidikan kristal fotoniknya adalah hasil daripada pembangunan progresif peranti yang dipanggil sistem litografi rasuk elektron. Kita boleh memanggil mesin ini (foto di sebelah kanan) "pencetak nano" kerana ia melukis data reka bentuk yang dibangunkan oleh CAD, dll. pada bahan nano dengan menggunakan senapang elektron yang memancarkan elektron dalam bentuk rasuk. Teknologi ini telah digunakan sebagai sumber pemancar elektron mikroskop elektron. JEOL menceburi perniagaan sistem litografi pancaran elektron pada tahun 1967 dengan teknologi dan pengalamannya yang telah lama wujud dalam perniagaan mikroskop elektron dan mempertingkatkan prestasi sistem langkah demi langkah selaras dengan suara penyelidik.
“Sistem litografi JEOL mengesan objek dengan tepat dan melukis dengan ketepatan yang tinggi. Percepatan penyelidikan kami pastinya berpunca daripada penambahbaikan sistem sedemikian.”
Mengejar Devi Standard Masa Depan
Mengejar Peranti Standard Masa Depan
Selepas secara konsisten mendedikasikan dirinya kepada penyelidikan asas berprofil rendah selama lebih 10 tahun, makalah yang diterbitkannya pada tahun 2000 melonjakkan Profesor Noda menjadi tumpuan ramai. Artikel itu menunjukkan kebolehlaksanaan teknologi kristal fotonik dengan hasil yang banyak daripada penyelidikannya yang telah lama wujud, yang cukup besar untuk melibatkan ramai penyelidik. Hari ini, terdapat beberapa penyelidikan gunaan kristal fotonik yang bertujuan untuk menjana hasil yang ketara.
Salah satu aplikasi teknologi yang paling dijangka ialah laser semikonduktor koheren kawasan besar yang disebutkan di atas. Sehingga berita ini ditulis, operasi kelas watt bagi keluaran rasuk berkualiti tinggi dan berkuasa tinggi dengan cip tunggal telah berjaya dijalankan. Penyelidik menjangkakan bahawa dunia akan berubah apabila operasi 10W dipraktikkan. Juga, aplikasi dalam sel solar telah menarik perhatian sebagai sumber tenaga boleh diperbaharui. Sel suria sedia ada boleh menyerap dan menukar hanya sebahagian daripada cahaya yang boleh dilihat kepada kuasa supaya sebahagian besar cahaya matahari terbengkalai. Kawalan pelepasan terma dengan kristal fotonik (disebutkan sebelum ini), dijangka dapat menyelesaikan isu ini pada masa hadapan; iaitu kawalan pelepasan haba boleh meningkatkan kecekapan penjanaan kuasa dengan membenarkan reka bentuk sel suria yang memancarkan cahaya dalam jalur tertentu untuk penyerapan paling cekap oleh sel dan membolehkan mereka menyerap sebahagian besar cahaya matahari.
Mengagumi pencapaiannya yang membuka kemungkinan teknologi novel sedemikian, ramai penyelidik percaya Profesor Noda layak menerima Hadiah Nobel seterusnya.
"Penggunaan praktikal kristal fotonik baru bermula. Misi saya adalah untuk terus memupuk teknologi yang sedang berkembang pesat," katanya.
Susumu Noda
Profesor Sekolah Siswazah Kejuruteraan dan Fakulti Kejuruteraan, Universiti Kyoto
Selepas menamatkan kursus sarjana di Sekolah Siswazah Kejuruteraan dan Fakulti Kejuruteraan, Universiti Kyoto, Profesor Noda menyertai Mitsubishi Electric Corporation. Pada tahun 1988, beliau menyandang jawatan sebagai pembantu di Fakulti Kejuruteraan, Universiti Kyoto, profesor bersekutu pada tahun 1992 dan profesor pada tahun 2000. Pada tahun yang sama sebagai profesor, beliau telah dianugerahkan Hadiah Sains Jepun IBM ke-14 untuk Penyelidikan mengenai Kristal Fotonik Semikonduktor dan Aplikasi. Selepas itu, Profesor Noda menerima beberapa siri anugerah termasuk Pujian Sains dan Teknologi oleh Menteri Pendidikan, Kebudayaan, Sukan, Sains dan Teknologi pada 2009, Anugerah Reona Ezaki ke-6 pada 2009, Pingat dengan Reben Ungu pada 2014 dan JSAP Cemerlang Anugerah Pencapaian pada tahun 2015, dsb.
Disiarkan: Mei 2016