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专访05:操纵光的挑战 电子束光刻系统描绘未来

发布:捷欧路(北京)科贸有限公司
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    野田 进

    日本京都大学研究生院工程学院教授

    光芯片、半导体激光器的革新、热辐射控制、GX率太阳能电池....

    光子晶体是引领未来的新材料,研究光子晶体的领军人物京都大学的野田进教授正朝着远大的理想继续奋进

    理想的材料--光子晶体

     光子晶体是一种隐秘的可以自由操纵光子能量的新材料,能将光波散射、弯曲、停留和增强,这种材料将会给电气和电子产品带来一场"革命"。光的传播速度比电子快好几倍,有着远距离传输也几乎不衰減的优点。迄今为止有过很多光与电子融合的尝试,电子的流动可以用半导体自由地控制,而控制光子却没有找到类似的东西。现在发现的光子晶体应该被称为"光半导体",通过它可以象控制电子一样来控制光子。例如光子回路计算机,就是利用光子晶体制作线路板的。以往的线路板是电子在CPU和存储器等部件之间传输信息,但电子的运动速度是有限的,同时还有元件发热等问题,这些都限制了计算机的处理速度。用光子晶体制作线路板,部件之间的信息可通过光信号进行传输。光子晶体可以使光更强、更长时间地停留在一个点上,这样发展下去,目前这样大的个人电脑将来可能达到和超级计算机相媲美的功能。

     光子晶体还有望成为一项引发半导体激光器革新的技术。半导体激光器在波长领域、快速化方面进步显著,但在光功率方面却不及其它的固体激光器和气体激光器,因此提高光功率已被期待已久。如果光子晶体激光器真可以产生大面积的干涉现象,那么就能在保持高质量光束的同时,实现高输出的运行,也就能期待它给激光领域带来一场新的革命,它的应用范围可以扩展到加工、汽车应用、传感应用,甚至可用激光完成核聚变点火,应该说市场规模将是很大的。

     光子晶体还将引发热辐射领域的技术革新。热辐射是一种通过对物体加热而产生光(电磁波)的现象,这一现象在很早以前就被作为光源的基本原理应用于灯和分析。此外,太阳也是热辐射体,它发出的光从紫外到红外,带宽范围很广。一般来说,热辐射由于还发射了并不需要的带宽很广的光,所以它的缺陷是利用效率极低。对物体产生的热辐射,在不损失其能量的基础上,如果在希望的波长上用希望的线宽汇集起来,并且还能动态、迅速地进行控制,那么就可以获得GX、快速的红外光源进行各种分析,还可以利用太阳能及地热等提高光热发电的效率。

    自由操纵光子的结构

     光具有波的属性,波长的不同在可见光区域表现为色彩的差异。太阳光或荧光灯看起来发白,是因为它们是由各种不同波长的光合成的。红色邮箱看上去发红,是因为反射光是红色的,而其它的光或是被吸收或者是被透射了。其不同是由物体的分子、表面结构决定的。光子晶体就是通过设计制作这样精细的结构,试图对改变光方向的反射、增强共振等进行自由控制的材料。制作方法倒是出乎意料的简单:使用的材料与半导体相同,主要是硅晶片(或者III-V族半导体晶片),用电子束规则地在上面打洞,这样空气进入孔洞后与半导体之间形成无数个折射率不同的重复图案,并在边界产生反射,由于在各个边界被反射的光线出现干涉,会产生光不能透过边界的布拉格反射现象,也就得到了光的"绝缘体"。

     图片2-1.png图片3-1.png

      更重要的是被称为人工缺陷的结构在规则排列的孔洞花样中,如果在某些位置改变孔洞的大小或形状,或者不打洞由于只有这些部分才允许光的存在,所以利用这些部分可以对光进行传输和存储,因为这种“缺陷”是为了形成光的通路,因此缺陷的排列方式可以自由地根据传输方式决定(图1是基于三维光子晶体的三维光电路)。另外,如果制造出极小的缺陷(包括微妙改变缺陷部分的尺寸),光就会被集中在那里,只有与孔穴大小对应的波长才能产生干涉,这样就可以制作光回路中储存光的存储器以及极小激光结构(图2是基于二维光子晶体的光波导路和纳米谐振器的电子显微镜照片)。打开的孔洞直径约为200nm要求的精度纳米尺寸或病毒的尺寸还小为了使它具有需要的功能,必须以亚纳米为单位控制钻孔位置,因此需要使用精密的机械制作。

    光子晶体实用化的领军人物

     京都大学野田进教授从1980年代起就积极参与了光子晶体的初期开发。研究生毕业后,年轻的野田教授进入三菱电机ZY研究所继续研究激光。当研究告一段落后,他又开始探索新一代的光学材料,并把目光投向了光子晶体。当时,正好大学时代的恩师邀他加盟,正在寻找机会想搞基础研究的他就重返了大学校园。"那个时候正值泡沫经济的鼎盛时期,就研究环境而言,公司远远好于大学。在大学里一年能拿到几百万日元的科研经费已经相当不错了,有的实验室甚至利用装酒的空瓶做烧杯"。即使是在这样艰难的情况下,对光子晶体怀有的梦想始终是他坚持研究的动力。"研究初始,对光子晶体的可行性曾有过很多质疑的声音,也被认为只不过是一个梦想而已,尽管如此,我仍然坚信如果能实现这个梦想,它将成为未来的至关重要的设备。不仅资金短缺,纳米加工技术本身也不成熟,因此,在很长的一段时间里,研究没能超出理论的范畴。光子晶体研究的迅猛发展,主要得益于电子束光刻设备的进步,这就是通常所说的用"纳米打印机"将CAD等设计的数据刻蚀在纳米尺寸材料上的技术。光刻使用的是发射电子束的电子枪,也就是应用在电子显微镜上的电子发射源技术,积累了丰富的电子显微技术的日本电子公司从1967年就投身该领域,他们倾听科研人员的声音,不断提升设备的性能。"使用日本电子的光刻装置,能准确地把握位置,图形的极ng确度很高,研发速度之所以能加快,要归功于这款高性能的设备。

    目标是未来的标准设备

    设备图片-1.jpg右图:在实验室里,Zxin锐的JEOL电子束光刻系统正描绘着可以自由操作光子通向未来的道路。在经过脚踏实地的十多年的研究之后,野田教授2000年发表的论文受到了极大的关注。论文展示了光子晶体的可行性,成果也获得了科学家们的肯定。如今,光子晶体的应用研究已在世界范围内展开,并且成果颇丰。其中实用化方面Z受瞩目的就是文章开头提及的大面积半导体激光器。如今,瓦特量级的高质量光束和大功率的单芯片已研制成功,如果功率能达到10W,这个世界将会被改变。另外,如果能应用于作为可再生能源的太阳能电池,也将具有重大的意义。目前的太阳能电池,主要是吸收了可见光的一部分,并把它被转化成了电能,而其它大部分光都没有有效地利用。为了解决这个问题,就像前面已经提到的那样,通过光子晶体的热辐射控制,设计成能发射被太阳能电池GX率吸收的带宽的光,使得大部分太阳光被太阳能电池吸收,就可以提高发电效率。由于这一研究开辟了新技术的可能性,野田教授被推举为下一届诺贝尔奖候选人的呼声也很高。

    "光子晶体的实用化才刚刚开始,让这个破土的萌芽茁壮成长,是我的使命。" 野田教授如是说。


    人物简介

    野田 进

    日本京都大学研究生院工程学院教授

    img_interview_05_thumbnail.jpg京都大学研究生院工程研究科硕士课程结业后,进入三菱电机株式会社。1988年,京都大学学院助教。1992年,助教,2000年,教授~至今。同年,凭借"半导体光子晶体及其应用研究"荣获第14届日本IBM科学奖。2009年、平成21年度获得文部科学大臣表彰科学技术奖,同年还荣获第6届江崎玲于奈奖,2014年紫绶褒章,2015年应用物理学会业绩奖等多个奖项。


2020-01-14
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