Des chercheurs de l’Université Bilkent ont réalisé une avancée dans la nanostructuration du silicium, ouvrant la voie à des applications inédites en électronique et en photonique. Grâce à une technique novatrice, ils ont réussi à surmonter les limitations historiques des méthodes de lithographie existantes.
Le silicium, élément central de l’électronique moderne, des photovoltaïques et de la photonique, a longtemps été limité à la nanofabrication de surface en raison des défis posés par les techniques lithographiques actuelles. Les méthodes disponibles échouent soit à pénétrer la surface de la plaquette sans provoquer d’altérations, soit sont limitées par la résolution micrométrique de la lithographie laser dans le silicium.
L’équipe de Bilkent a développé une technique innovante qui dépasse ces limitations, permettant la fabrication contrôlée de nanostructures enfouies profondément dans les plaquettes de silicium avec une précision inédite.
Une technique innovante
Pour surmonter les effets optiques complexes au sein de la plaquette et la limite de diffraction de la lumière laser, les chercheurs ont utilisé une impulsion laser spéciale, créée par une approche appelée modulation spatiale de la lumière. La nature non diffractante du faisceau permet de surmonter les effets de diffusion optique, induisant des vides extrêmement petits et localisés à l’intérieur de la plaquette. Ce processus est suivi d’un effet de semis émergent, où les nano-vides sous-surface préformés établissent un fort renforcement de champ autour de leur voisinage immédiat.
«Notre approche repose sur la localisation de l’énergie de l’impulsion laser à l’intérieur d’un matériau semi-conducteur à un volume extrêmement réduit, de sorte que l’on peut exploiter des effets de renforcement de champ émergents analogues à ceux de la plasmonique. Cela conduit à un contrôle sub-longueur d’onde et multidimensionnel directement à l’intérieur du matériau.» explique le Prof. Tokel.
Applications potentielles
Les chercheurs ont démontré une nanostructuration volumétrique à grande échelle avec des caractéristiques au-delà de la limite de diffraction, permettant des éléments nano-photoniques enfouis en preuve de concept. Ces avancées ont des implications significatives pour le développement de systèmes à l’échelle nanométrique avec des architectures uniques.
Dr. Asgari Sabet, premier auteur de l’étude, déclare : «En exploitant le mécanisme de rétroaction anisotrope trouvé dans le système d’interaction laser-matériau, nous avons réalisé une nanolithographie contrôlée par polarisation dans le silicium. Cette capacité nous permet de guider l’alignement et la symétrie des nanostructures à l’échelle nanométrique.»
Implications futures
Le Prof. Tokel conclut : «Nos résultats introduisent un nouveau paradigme de fabrication pour le silicium. La capacité de fabriquer à l’échelle nanométrique directement à l’intérieur du silicium ouvre un nouveau régime, vers une intégration et une photonique avancées. Nous pouvons maintenant commencer à nous demander si une nanofabrication tridimensionnelle complète dans le silicium est possible. Notre étude est la première étape dans cette direction.»
Les caractéristiques au-delà de la limite de diffraction et le contrôle multidimensionnel impliquent des avancées futures, telles que les métasurfaces, les métamatériaux, les cristaux photoniques, de nombreuses applications de traitement de l’information, et même des systèmes électroniques-photoniques intégrés en 3D.
Article : « Laser nanofabrication inside silicon with spatial beam modulation and anisotropic seeding » – DOI: 10.1038/s41467-024-49303-z
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