Ανάπτυξη τεχνολογίας φωτονικής για την επιτάχυνση της εφαρμογής τεχνητού διαμαντιού

Η πρόοδος στην παραγωγή συνθετικών διαμαντιών κατέστησε δυνατές νέες τεχνολογίες φωτονικής, αλλά παραμένουν πολλές προκλήσεις για αυτές τις νέες τεχνολογίες στην εξυπηρέτηση κβαντικών εφαρμογών.
Την τελευταία δεκαετία περίπου, καθοδηγούμενες από ορισμένες βασικές τάσεις της τεχνολογίας και τη ζήτηση της αγοράς, πολλές εμπορικές, αναδυόμενες τεχνολογίες φωτονικής που εκμεταλλεύονται τις ειδικές φυσικές ιδιότητες του διαμαντιού έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο. Οι καινοτομίες στη σύνθεση διαμαντιών οπτικής ποιότητας με χημική εναπόθεση ατμών (CVD), η μηχανική του κέντρου χρωμάτων διαμαντιών και οι τεχνολογίες για την κατασκευή οπτικών εξαρτημάτων διαμαντιών και φωτονικών δομών κατέστησαν δυνατές αυτές τις προόδους.
Εφαρμογές φωτονικής που βασίζονται στις εξαιρετικές εγγενείς ιδιότητες του διαμαντιού
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 φορές από αυτόν του χαλκού), ενώ έχει χαμηλό θερμοοπτικό συντελεστή. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τα οπτικά διαμαντιών ιδανικά για βιομηχανικές εφαρμογές λέιζερ υψηλής ισχύος, συμπεριλαμβανομένης της μηχανικής κατεργασίας, της συγκόλλησης και της κατασκευής προσθέτων, όπου μπορεί να εφαρμοστεί σε πολλά διαφορετικά μέρη του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος.
Επιπλέον, το διαμάντι είναι η σκληρότερη γνωστή ουσία στη γη και είναι εξαιρετικά σκληρό και ανθεκτικό, καθιστώντας το επίσης ιδανικό για εφαρμογές άμυνας και ασφάλειας που απαιτούν ανθεκτικά οπτικά και υπέρυθρα εξαρτήματα και την ικανότητα να λειτουργεί σε πολύ δύσκολα περιβάλλοντα.
Το διαμάντι CVD οπτικής ποιότητας διατίθεται σε μονοκρυσταλλικές και πολυκρυσταλλικές μορφές. Το πλεονέκτημα του πολυκρυσταλλικού διαμαντιού είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για συσκευές μεγάλου μεγέθους μεγάλης επιφάνειας έως 135 mm σε διάμετρο. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως παράθυρο για λέιζερ CO2 υψηλής ισχύος 10,6 μm για συστήματα λιθογραφίας ακραίας υπεριώδους (EUV) για τους πιο προηγμένους κόμβους κατασκευής συσκευών ημιαγωγών.
Αυτή η τεχνολογία, η οποία καθοδηγείται από το να συμβαδίζει με το νόμο του Moore, βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στη σύνθεση και την επεξεργασία παραθύρων με διαμάντια σύμφωνα με αυστηρά πρότυπα οπτικής ποιότητας, καθώς κανένα άλλο οπτικό υλικό δεν μπορεί να λειτουργήσει κάτω από τις ακραίες συνθήκες λέιζερ που απαιτούνται.
Οι απώλειες σκέδασης σε πολυκρυσταλλικό διαμάντι CVD σε μήκη κύματος μικρότερα από περίπου 1,5 μm σημαίνουν ότι οι περισσότερες εφαρμογές σε αυτό το εύρος αντιμετωπίζονται χρησιμοποιώντας μονοκρυσταλλικό διαμάντι. Λόγω των περιορισμών μεγέθους των διαθέσιμων επί του παρόντος υποστρωμάτων διαμαντιών, τα μονοκρυστάλλινα διαμαντένια στοιχεία έχουν συνήθως μήκος περίπου 5-10 mm και παρόλο που ορισμένοι κατασκευαστές αναπτύσσουν διαμάντια μονοκρυστάλλων μεγάλης επιφάνειας σε μη διαμαντένια υποστρώματα, αυτό το υλικό δεν μπορεί μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όλες τις οπτικές εφαρμογές λόγω της σχετικά υψηλής εσωτερικής καταπόνησης.
Παρά τους περιορισμούς μεγέθους, έχουν αναπτυχθεί ορισμένες τεχνικές φωτονικής διαμαντιών μονοκρυστάλλου CVD, όπως τα λέιζερ Raman με διαμάντια που βασίζονται στους μοναδικούς κρυστάλλους χαμηλής απορρόφησης φωτός και χαμηλής διδιάθλασης του Element Six.
Αυτά τα μη γραμμικά λέιζερ εκμεταλλεύονται το φαινόμενο της διεγερμένης σκέδασης Raman για να μετατρέψουν τη δέσμη της αντλίας σε δέσμη εξόδου με μετατόπιση του Stokes, επεκτείνοντας έτσι το εύρος των διαθέσιμων πηγών λέιζερ για νέες εφαρμογές που καλύπτουν την υπεριώδη ακτινοβολία υπερύθρων, όπως: συγκόλληση υλικού, τρισδιάστατη εκτύπωση, κατευθυνόμενη ενέργεια , LIDAR, τηλεπισκόπηση και αστέρια που καθοδηγούνται με λέιζερ (LGS).
Το Diamond έχει έναν από τους υψηλότερους συντελεστές απολαβής Raman, ο οποίος, σε συνδυασμό με την εξαιρετική θερμική του αγωγιμότητα, το καθιστά ιδανικό μέσο κέρδους για την επίδειξη ισχύος κλιμάκωσης και βελτίωσης φωτεινότητας, συμπεριλαμβανομένης της φασματικής περιοχής "ασφαλούς για το ανθρώπινο μάτι" του 1.{{1} }.8 μm. Σε αυτό το εύρος, η επιλογή των διαθέσιμων πηγών λέιζερ ήταν προηγουμένως περιορισμένη.
Επέκταση των εφαρμογών της Diamond μέσω της Color Core Engineering
Ενώ το διαμάντι έχει ένα εξαιρετικό σύνολο εγγενών οπτικών ιδιοτήτων, έχει επίσης εκατοντάδες διαφορετικά οπτικά ενεργά ελαττώματα (κέντρα χρώματος). Ορισμένες από αυτές είναι σημαντικές για τεχνικές εφαρμογές που εκμεταλλεύονται την κβαντική κατάσταση του φωτός και τις ιδιότητες σπιν ηλεκτρονίων των χρωματικών κέντρων, συμπεριλαμβανομένων των κβαντικών επικοινωνιών, του κβαντικού υπολογισμού και μιας σειράς εφαρμογών ανίχνευσης.
Ιδιαίτερα αξιοσημείωτο είναι το χρωματικό κέντρο κενού αζώτου (NV) - ένα ελάττωμα σημείου φωταύγειας στο διαμάντι που έχει αποτελέσει αντικείμενο εντατικής έρευνας λόγω της ικανότητας να χειρίζεται εύκολα την κβαντική του κατάσταση με την εφαρμογή φωτός και πεδίων ραδιοσυχνοτήτων σε θερμοκρασία δωματίου.
Ανάλογα με την τελική διαδικασία εφαρμογής, μπορεί κανείς να δημιουργήσει κέντρα χρωμάτων NV με δύο τρόπους. Το ένα είναι με τον έλεγχο του ντόπινγκ του αζώτου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης CVD έτσι ώστε τα άτομα αζώτου να κατανέμονται σε όλο το υλικό στην επιθυμητή συγκέντρωση. Από την άλλη πλευρά, απαιτείται ακριβής χωρικός έλεγχος των επιμέρους χρωματικών κέντρων, χρησιμοποιώντας έγχυση αζώτου. Τα κενά πλέγματος δημιουργούνται στη συνέχεια με ακτινοβολία ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας και ο κρύσταλλος ανόπτεται σε υψηλές θερμοκρασίες για να κινητοποιήσει τα κενά για να συνδεθεί με τα άτομα αζώτου στον κρύσταλλο, με αποτέλεσμα τα κέντρα χρώματος NV. Μια παρόμοια προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχηματισμό άλλων προσαρμοσμένων χρωματικών κέντρων, όπως κέντρα κενού πυριτίου (SiV) ή κενών κενών γερμανίου (GeV).
Για την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών, χρειάζονται συστοιχίες χρωματικών κέντρων - τόσο για τον έλεγχο των κβαντικών ιδιοτήτων τους όσο και για την αποτελεσματική σύζευξη μεμονωμένων κέντρων μεταξύ τους μέσω φωτονικών κοιλοτήτων. Λόγω της χημικής αδράνειας του διαμαντιού και της έλλειψης ευρείας διαθεσιμότητας στην αγορά, απαιτείται ακόμη σημαντική προσπάθεια και χρηματοδότηση για την ανάπτυξη των τεχνικών νανοκατασκευής που απαιτούνται για τέτοιες κατασκευές. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο σε αυτόν τον τομέα, συμπεριλαμβανομένης της κατασκευής πολύπλοκων νανοδομών με τη μορφή κυματοδηγών, στηλών, κοιλοτήτων και δίσκων, χρησιμοποιώντας μια ποικιλία τεχνικών φωτολιθογραφίας και χρησιμοποιώντας δέσμες πλάσματος και αντιδραστικών ιόντων για χάραξη .
Μελλοντικές προκλήσεις για την επίτευξη της κβαντικής φωτονικής διαμαντιών
Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην παραγωγή διαμαντιών με υψηλή εγγενή οπτική ποιότητα και υψηλής ποιότητας χρωματικά κέντρα, και έχουν επιτρέψει πολλές νέες και υπάρχουσες προηγμένες τεχνικές φωτονικής.
Ωστόσο, υπάρχουν πολλές προκλήσεις προτού οι εφαρμογές διαμαντιών στην κβαντική φωτονική μπορούν να εφαρμοστούν με επιτυχία ως κλιμακούμενα τσιπ για εφαρμογές όπως η κβαντική επεξεργασία πληροφοριών. Αυτά περιλαμβάνουν: βελτίωση της χρωματοκεντρικής μηχανικής και στιβαρότητα των κβαντικών δυαδικών ψηφίων. Κατασκευή γκοφρέτες? και υβριδική ενοποίηση με άλλα φωτονικά υλικά και εξαρτήματα. Παρά αυτές τις προκλήσεις, η τρέχουσα έρευνα που απευθύνεται σε αυτούς τους τομείς είναι πολύ ενεργή και αναμένεται σημαντική πρόοδος τα επόμενα χρόνια.