Nanoteknologi

Selvbyggende butterfly-resonatorer bygger bro mellem den atomare og den makroskopiske verden

I en ny artikel i Nature nærmer to nanoteknologiske metoder sig hinanden i en ny generation af chip-teknologi. Den nye tilgang kombinerer skalerbarheden fra halvlederteknologi med de atomare dimensioner muliggjort af selvbyggende teknologi.

Illustration of the core of the photonic cavity that was fabricated as two halves that assembled themselves into one unit. The cavity confines light inside the gap, which is only a few atoms wide as indicated in the field of view of the magnifying glass. Illustration by Thor A. S. Weis.
Illustration af kernen af det fotoniske hulrum, der blev fremstillet som to halvdele, der samlede sig selv i en enhed. Hulrummet begrænser lyset inde i mellemrummet, som kun er et par atomer bredt som angivet i forstørrelsesglasset. Illustration af Thor A. S. Weis.
Det selvsamlede hulrum kan integreres i større selvsamlede komponenter til at dirigere lys rundt om en optisk chip. Figuren viser det optiske hulrum indlejret i et kredsløb, der indeholder flere selvsamlede elementer. Illustration af Thor A. S. Weis.

To separate tilgange

En tilgang – top-down-tilgangen – ligger bag den spektakulære udvikling, vi har set med siliciumbaserede halvlederteknologier. Her starter man groft sagt med en siliciumblok og arbejder på at lave nanostrukturer ud fra den. I den anden tilgang – bottom-up-tilgangen – forsøger man at få et nanoteknologisk system til at samle sig selv. Her sigter man mod at efterligne biologiske systemer, såsom planter eller dyr, bygget gennem biologiske eller kemiske processer. Disse to tilgange er kernen i, hvad der definerer nanoteknologi. Men problemet er, at de to tilgange hidtil har været adskilt: Halvledere er skalerbare, men kan ikke komme ned på atomar skala, og selvom selvsamlende strukturer længe har fungeret på atomare skalaer, har de ingen arkitektur for sammenkoblingerne til den eksterne verden.

”Det interessante ville være, hvis vi kunne producere et elektronisk kredsløb, der byggede sig selv – ligesom det, der sker med mennesker, når de vokser, men med uorganiske halvledermaterialer. Det ville være ægte hierarkisk selvsamling. Vi bruger det nye selvsamlingskoncept til fotoniske resonatorer, men vi håber, at det vil finde anvendelse i elektronik, nanorobotik, sensorer, kvanteteknologier og meget mere. Så kan vi virkelig høste nanoteknologiens fulde potentiale. Forskningsverdenen er mange gennembrud fra at realisere den vision, men jeg håber, at vi har taget de første skridt,” siger Guillermo Arregui, der var medvejleder på projektet.

Tilgangene mødes

Med den målsætning, at de to tilgange måtte kunne kombineres, satte teamet på DTU Electro sig for at skabe nanostrukturer, der overskrider grænserne for konventionel litografi og ætsning på trods af, at de kun anvender konventionel litografi og ætsning. Deres idé var at bruge overfladekræfter, fx. Casimir-kraften, til at tiltrække de to halvdele og Van der Waals-kraften til at få dem til at holde sammen. Disse to kræfter er rodfæstet i den samme underliggende effekt: kvantefluktuationer (se faktaboks).

 


Faktaboks

Der er fire kendte grundlæggende kræfter: Gravitationelle, elektromagnetiske og stærke og svage nukleare kræfter. Ud over kræfterne som følge af statiske konfigurationer, f.eks. den attraktive elektromagnetiske kraft mellem positivt og negativt ladede partikler, kan der også være kræfter på grund af fluktuationer.

Sådanne fluktuationer kan enten have termisk eller kvantemekanisk oprindelse, og de giver anledning til overfladekræfter såsom Van der Waals-kræfter og Casimir-kraften, som virker på forskellige længdeskalaer, men er forankret i den samme underliggende fysik. Andre mekanismer, såsom elektrostatiske overfladeladninger, kan øge overfladekraften. For eksempel udnytter gekkoer overfladekræfter til at klatre på vægge og lofter.

 

Forskerne lavede fotoniske resonatorer, der sammenpresser lys til luftgab så små, at det var umuligt at bestemme deres nøjagtige størrelse, selv med et transmissions-elektronmikroskop. Men de mindste, de byggede, er omtrent så store som 1-3 silicium-atomer.

”Selvom den selvbyggende teknologi muliggør ekstreme dimensioner kun ved hjælp af konventionel teknologi, er kravene til nanoproduktionen ikke mindre ekstreme. For eksempel er strukturelle uperfektheder typisk flere nanometer store. Men hvis der er fejl på denne skala, vil de to halvdele kun mødes og røre ved hinanden ved de tre største defekter. Vi skubber virkelig til grænserne her, selvom vi laver vores enheder i et af verdens allerbedste universitetsrenrum,” siger Ali Nawaz Babar, Ph.d.-studerende ved DTU Electro og førsteforfatter på den nye artikel.

”Fordelen ved selvsamling er, at du kan lave meget små ting. Du kan bygge unikke materialer med fantastiske egenskaber. Men i dag kan du ikke bruge det til noget, du sætter i en stikkontakt. Du kan ikke koble det til resten af verden. Så du har brug for al den normale halvlederteknologi til at lave ledninger eller bølgeledere for at koble det, du selv har samlet, til den eksterne verden.

Robust og præcis selvsamling

Artiklen beskriver en mulig metode til at forbinde de to nanoteknologiske tilgange ved at anvende en ny generation af produktionsteknologi. Den nye teknologi kombinerer de atomare dimensioner, der er muliggjort med selvsamling, med skalerbarheden fra halvledere og chip-teknologi.

”Vi behøver ikke at gå ind og finde resonatorerne og indsætte dem i en anden chiparkitektur. Det ville også være umuligt på grund af den lille størrelse. Med andre ord bygger vi noget på størrelse med et atom, der allerede er indsat i et makroskopisk kredsløb. Vi er meget begejstrede for dette nye forskningsområde, og for det arbejde, der ligger foran os,” siger Søren Stobbe. 

 

 
De ledende forfattere på arbejde i laboratoriet: Ph.D.-studerende Ali Nawaz Babar, postdoc Guillermo Arregui og lektor Søren Stobbe. Foto Ole Ekelund.

Faktaboks

Artiklen beskriver tre eksperimenter, som forskerne har udført i laboratorierne på DTU:

  1. Der blev fremstillet ikke færre end 2688 enheder på tværs af to mikrochips, hver indeholdende en platform, der enten ville kollapse på en nærliggende siliciumvæg – eller ikke kollapse, afhængigt af overfladeområdet, fjederkonstanten og afstanden mellem platform og væg. Dette gjorde det muligt for forskerne at kortlægge, hvilke parametre der ville – og ikke ville – resultere i deterministisk selvsamling. Kun 11 enheder mislykkedes på grund af produktionsfejl eller andre fejl, hvilket er et bemærkelsesværdigt lavt antal for en ny proces.
  2. Forskerne lavede selvsamlede optiske resonatorer, hvis optiske egenskaber blev verificeret eksperimentelt, og den atomare skala blev bekræftet ved transmissionselektronmikroskopi.
  3. De selvsamlede resonatorer blev indlejret i en større arkitektur bestående af selvsamlede bølgeledere, fjedre og fotoniske koblere for at fremstille de omgivende mikrochipkredsløb i samme proces.

Læs den videnskabelige artikel Self-assembled photonic cavities with atomic-scale confinement herhttps://www.nature.com/articles/s41586-023-06736-8 

Kontakt

Søren Stobbe

Søren Stobbe Professor, Gruppeleder Institut for Elektroteknologi og Fotonik Telefon: 45256383 Mobil: 60656769

Ali Nawaz Babar

Ali Nawaz Babar Ph.d.-studerende Institut for Elektroteknologi og Fotonik

Guillermo Arregui Bravo

Guillermo Arregui Bravo Postdoc Institut for Elektroteknologi og Fotonik Telefon: 45253809