Исследователи из Московского физико-технического института впервые экспериментально продемонстрировали, что нанофотонные компоненты на основе меди могут успешно работать в фотонных устройствах – ранее считалось, что необходимыми для этого свойствами обладают только компоненты на основе золота и серебра.

Медные компоненты не только не уступают аналогам из благородных металлов, но и, в отличие от них, легко интегрируются в микросхемы в стандартном технологическом процессе. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале NanoLetters.

Кремниевый чип с медными плазмонными компонентами. © NanoLetters

«Нам удалось создать медные чипы, оптические свойства которых ни в чем не уступают золотым аналогам, – говорит лидер исследования Дмитрий Федянин. – Более того, мы добились этого в производственном цикле, совместимом с КМОП- технологией, которая является основой всех современных интегральных схем, включая микропроцессоры. Это своего рода революция в нанофотонике».

Нанофотоника

Нанофотоника – область исследований, работающей в том числе над тем, чтобы заменить существующие в вычислительных устройствах компоненты на более совершенные за счет использования фотонов вместо электронов. Наноразмерные фотонные компоненты создают на основе так называемых металл-диэлектрических наноструктур, и ранее считалось, что по своим фундаментальным свойствам для создания эффективных наноструктур могут использоваться только два металла – золото и серебро.

Однако на практике создавать компоненты на основе золота и серебра очень трудно, потому что оба металла практически не вступают в химические реакции, а значит процесс создания наноструктур дорогой, долгий, а иногда и вовсе осуществим.

Медь вместо золота

Революционное для фотоники и компьютеров будущего открытие сделали исследователи из лаборатории нанооптики и плазмоники центра наноразмерной оптоэлектроники Московского физико-технического института (МФТИ). Им впервые удалось произвести нанофотонные компоненты на основе меди, которые по своим характеристикам не уступают аналогам из золота.

Наноразмерные плазмонные медные волноводы на кремниевом чипе в ближнепольном оптическом микроскопе (слева) и их изображение, полученное электронной микроскопией (справа). © NanoLetters

Примечательно, что медные компоненты были произведены учеными в рамках стандартного технологического процесса, используемого для производства большинства современных микросхем. Это означает, что именно медные нанофотонные компоненты смогут в самом ближайшем будущем стать основой для энергоэффективных источников излучения, сверхчувствительных сенсоров и датчиков, а также высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, работающих на нескольких тысячах ядер.

На основании обобщения теории для так называемых плазмонных металлов они еще в 2012 году выяснили, что медь как оптический материал может не только составить конкуренцию золоту, но и превзойти его. В отличие от золота, медь можно довольно легко структурировать, использую жидкостное или плазменное травление и создавать на ее основе наноразмерные компоненты, которые легко интегрируются в фотонные или электронные интегральные схемы на основе кремния. Исследователям понадобилось более двух лет, чтобы закупить необходимое оборудование, разработать технологический процесс, изготовить образцы, провести множество независимых измерений и экспериментально подтвердить эту гипотезу.

Эти исследования создают фундамент для начала практического использования медных нанофотонных и плазмонных компонентов, которые уже в ближайшем будущем будут использованы при создании светодиодов, нанолазеров, высокочувствительных сенсоров и датчиков для мобильных устройств, высокопроизводительных оптоэлектронных процессоров, насчитывающих до нескольких десятков тысяч ядер, для видеокарт, персональных компьютеров и суперкомпьютеров.