Fotonikai technológia fejlesztése a mesterséges gyémánt alkalmazásának felgyorsítására

A szintetikus gyémántok előállítása terén elért fejlődés új fotonikai technológiákat tett lehetővé, de sok kihívás vár még ezekre az új technológiákra a kvantumalkalmazások kiszolgálása terén.
Az elmúlt évtizedben, számos kulcsfontosságú technológiai trend és piaci kereslet hatására, számos, a gyémánt különleges fizikai tulajdonságait kihasználó, kereskedelmi forgalomban lévő, feltörekvő fotonikai technológia jelentős fejlődésen ment keresztül. Az optikai minőségű gyémántok kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) történő szintézisében, a gyémánt színközpontok tervezésében, valamint a gyémánt optikai alkatrészek és fotonikus struktúrák előállítására szolgáló technológiákkal kapcsolatos innovációk lehetővé tették ezeket az előrelépéseket.
A gyémánt kiváló belső tulajdonságain alapuló fotonikai alkalmazások
High purity diamond exhibits transparency in the frequency range from ultraviolet to terahertz and beyond. It has the highest room temperature thermal conductivity of any bulk material (>5-szöröse a réznek), miközben alacsony hő-optikai együtthatóval rendelkezik. Ezek a tulajdonságok ideálissá teszik a gyémánt optikát nagy teljesítményű ipari lézeres alkalmazásokhoz, beleértve a megmunkálást, a hegesztést és az additív gyártást, ahol az elektromágneses spektrum számos különböző részére alkalmazható.
Ezenkívül a gyémánt a legkeményebb ismert anyag a Földön, rendkívül kemény és robusztus, így ideális olyan védelmi és biztonsági alkalmazásokhoz is, amelyek masszív optikai és infravörös alkatrészeket, valamint nagy kihívást jelentő környezetben való működést igényelnek.
Az optikai minőségű CVD gyémánt egykristály és polikristályos formában kapható. A polikristályos gyémánt előnye, hogy nagy méretű, nagy felületű, akár 135 mm átmérőjű eszközökhöz is használható. Használható például ablakként a nagy teljesítményű, 10,6 μm-es CO2 lézerekhez az extrém ultraibolya (EUV) litográfiai rendszerekhez a legfejlettebb félvezető eszközök gyártási csomópontjaihoz.
Ez a technológia, amelyet a Moore-törvény követése vezérel, nagymértékben támaszkodik a gyémánt ablakok szintetizálására és feldolgozására a szigorú optikai minőségi szabványok szerint, mivel semmilyen más optikai anyag nem tud működni a szükséges extrém lézerviszonyok között.
A polikristályos CVD-gyémánt körülbelül 1,5 μm-nél rövidebb hullámhosszúságú szórási veszteségei azt jelentik, hogy ebben a tartományban a legtöbb alkalmazást egykristályos gyémánttal oldják meg. A jelenleg elérhető gyémánt hordozók méretbeli korlátai miatt az egykristály gyémánt elemek általában körülbelül 5-10 mm hosszúak, és bár egyes gyártók nagy felületű egykristály gyémántokat fejlesztenek nem gyémánt hordozókra, ez az anyag nem Viszonylag nagy belső igénybevétele miatt minden optikai alkalmazáshoz használható.
A méretkorlátozások ellenére néhány egykristályos CVD gyémánt fotonikai technikát fejlesztettek ki, mint például az Element Six egyedi, alacsony fényelnyelő, alacsony kettős törésű kristályain alapuló gyémánt Raman lézereket.
Ezek a nemlineáris lézerek a gerjesztett Raman-szórás jelenségét használják ki, hogy a szivattyúsugarat Stokes-eltolásos kimeneti nyalábbá alakítsák, így kibővítve a rendelkezésre álló lézerforrások körét új alkalmazásokhoz, amelyek lefedik az UV-IR-t, beleértve: anyaghegesztés, 3D nyomtatás, irányított energia. , LIDAR, távérzékelés és lézervezérelt csillagok (LGS).
A gyémánt az egyik legmagasabb Raman-erősítési együtthatóval rendelkezik, ami kiváló hővezető képességével együtt ideális erősítési közeggé teszi a teljesítmény-skálázás és a fényerő-javítás demonstrálására, beleértve az 1-es "ember szem számára biztonságos" spektrumtartományt is.{1} },8 μm. Ebben a tartományban a rendelkezésre álló lézerforrások választéka korábban korlátozott volt.
A Diamond alkalmazási körének bővítése Color Core Engineering segítségével
Míg a gyémánt kiváló belső optikai tulajdonságokkal rendelkezik, több száz különböző optikailag aktív hibája (színközpontja) is van. Ezek némelyike ​​fontos a fény kvantumállapotát és a színközpontok elektron spin-tulajdonságait kihasználó műszaki alkalmazásokban, ideértve a kvantumkommunikációt, a kvantumszámítást és számos érzékelő alkalmazást.
Különösen figyelemre méltó a nitrogén üresedés (NV) színközpont – a gyémánt lumineszcens ponthibája, amely intenzív kutatás tárgyát képezi, mivel a kvantumállapot könnyen manipulálható fény- és RF mezők alkalmazásával szobahőmérsékleten.
A végső alkalmazási folyamattól függően az NV színközpontok kétféleképpen hozhatók létre. Az egyik a nitrogén adalékolásának szabályozása a CVD növekedési folyamat során, hogy a nitrogénatomok a kívánt koncentrációban oszlanak el az anyagban. Másrészt az egyes színközpontok precíz térbeli szabályozása szükséges, nitrogén befecskendezéssel. A rácsüres helyeket ezután nagy energiájú elektronbesugárzással hozzák létre, és a kristályt magas hőmérsékleten izzítják, hogy mobilizálják a szabad helyeket, hogy kötődjenek a kristályban lévő nitrogénatomokhoz, ami NV színközpontokat eredményez. Hasonló megközelítés használható más testreszabott színközpontok, például szilícium-üresedés- (SiV) vagy germánium-üresedés-központok (GeV) kialakítására is.
A kvantuminformáció feldolgozásához színközpontok tömbjeire van szükség – mind kvantumtulajdonságaik szabályozására, mind az egyes központok hatékony összekapcsolására fotonikus üregeken keresztül. A gyémánt kémiai tehetetlensége és a széles körű piaci elérhetőség hiánya miatt továbbra is jelentős erőfeszítésekre és finanszírozásra van szükség az ilyen szerkezetekhez szükséges nanogyártási technikák kifejlesztéséhez; azonban az elmúlt években a kutatók nagy előrelépést értek el ezen a területen, beleértve a hullámvezetők, oszlopok, üregek és korongok formájában lévő összetett nanostruktúrák előállítását, különféle fotolitográfiás technikák alkalmazásával, valamint plazma- és reaktív ionsugarak maratására. .
Jövőbeli kihívások a gyémánt kvantumfotonika megvalósításához
Az elmúlt években a kutatók jelentős előrelépést értek el a magas belső optikai minőséggel és jó minőségű színközpontokkal rendelkező gyémántok előállítása terén, és számos új és meglévő fejlett fotonikai technikát tettek lehetővé.
Mindazonáltal számos kihívás vár még arra, hogy a kvantumfotonika gyémánt alkalmazásait sikeresen megvalósíthassák méretezhető chipekként olyan alkalmazásokhoz, mint például a kvantuminformáció-feldolgozás. Ezek a következők: a színközpontú tervezés és a kvantumbitek robusztusságának javítása; ostyák gyártása; és hibrid integráció más fotonikus anyagokkal és alkatrészekkel. E kihívások ellenére az ezekre a területekre irányuló jelenlegi kutatás nagyon aktív, és az elkövetkező években jelentős előrelépés várható.