Fotonikas tehnoloģiju attīstība, lai paātrinātu mākslīgā dimanta pielietošanu

Sintētisko dimantu ražošanas attīstība ir padarījusi iespējamas jaunas fotonikas tehnoloģijas, taču šīm jaunajām tehnoloģijām joprojām ir daudz izaicinājumu kvantu lietojumu apkalpošanā.
Apmēram pēdējo desmit gadu laikā, pateicoties vairākām galvenajām tehnoloģiju tendencēm un tirgus pieprasījumam, daudzas komerciālas, jaunas fotonikas tehnoloģijas, kas izmanto dimanta īpašās fizikālās īpašības, ir piedzīvojušas ievērojamu progresu. Inovācijas optiskās kvalitātes dimantu sintēzē, izmantojot ķīmisko tvaiku pārklāšanu (CVD), dimanta krāsu centru inženieriju un dimanta optisko komponentu un fotonisko struktūru izgatavošanas tehnoloģijas ir padarījušas šos sasniegumus iespējamus.
Fotonikas lietojumprogrammas, kuru pamatā ir dimanta izcilās būtiskās īpašības
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 reizes lielāks nekā vara), vienlaikus ar zemu termooptisko koeficientu. Šīs īpašības padara dimanta optiku par ideālu lieljaudas rūpniecisko lāzeru lietojumiem, tostarp apstrādei, metināšanai un piedevu ražošanai, kur to var izmantot daudzām dažādām elektromagnētiskā spektra daļām.
Turklāt dimants ir cietākā zināmā viela uz zemes, un tā ir ārkārtīgi cieta un izturīga, padarot to ideāli piemērotu aizsardzības un drošības lietojumiem, kam nepieciešami izturīgi optiskie un infrasarkanie komponenti un spēja darboties ļoti sarežģītos apstākļos.
Optiskās kvalitātes CVD dimants ir pieejams monokristāla un polikristāliskā formā. Polikristāliskā dimanta priekšrocība ir tā, ka to var izmantot liela izmēra liela laukuma ierīcēm ar diametru līdz 135 mm. Piemēram, to var izmantot kā logu lieljaudas 10,6 μm CO2 lāzeriem ekstremālām ultravioleto staru (EUV) litogrāfijas sistēmām vismodernākajiem pusvadītāju ierīču ražošanas mezgliem.
Šī tehnoloģija, kas tiek virzīta, sekojot līdzi Mūra likumam, lielā mērā ir atkarīga no dimanta logu sintezēšanas un apstrādes atbilstoši stingriem optiskās kvalitātes standartiem, jo ​​neviens cits optiskais materiāls nevar darboties ekstremālos lāzera apstākļos.
Izkliedes zudumi polikristāliskā CVD dimantā pie viļņu garumiem, kas ir īsāki par aptuveni 1,5 μm, nozīmē, ka lielākā daļa lietojumu šajā diapazonā tiek risināti, izmantojot monokristālu dimantu. Pašlaik pieejamo dimanta substrātu izmēru ierobežojumu dēļ viena kristāla dimanta elementi parasti ir aptuveni 5-10 mm gari, un, lai gan daži ražotāji izstrādā liela laukuma viena kristāla dimantus uz substrātiem, kas nav dimanta, šis materiāls nevar. var izmantot visiem optiskajiem lietojumiem, jo ​​ir salīdzinoši liela iekšējā spriedze.
Neraugoties uz izmēru ierobežojumiem, ir izstrādātas dažas viena kristāla CVD dimanta fotonikas metodes, piemēram, dimanta Ramana lāzeri, kuru pamatā ir Element Six unikālie vāji absorbējošie kristāli ar zemu abreferenci.
Šie nelineārie lāzeri izmanto ierosinātās Ramana izkliedes fenomenu, lai sūkņa staru pārvērstu Stoksa nobīdītā izejas starā, tādējādi paplašinot pieejamo lāzera avotu klāstu jauniem lietojumiem, kas aptver UV līdz IR, tostarp: materiālu metināšana, 3D drukāšana, virzīta enerģija. , LIDAR, attālās uzrādes un lāzervadāmās zvaigznes (LGS).
Dimantam ir viens no augstākajiem Ramana pastiprinājuma koeficientiem, kas apvienojumā ar lielisko siltumvadītspēju padara to par ideālu pastiprināšanas līdzekli, lai demonstrētu jaudas mērogošanu un spilgtuma palielināšanu, tostarp spektra apgabalā “cilvēka acij drošs” 1.{1} },8 μm. Šajā diapazonā pieejamo lāzera avotu izvēle iepriekš bija ierobežota.
Diamond lietojumu paplašināšana, izmantojot Color Core Engineering
Lai gan dimantam ir lielisks raksturīgo optisko īpašību kopums, tam ir arī simtiem dažādu optiski aktīvu defektu (krāsu centru). Daži no tiem ir svarīgi tehniskajiem lietojumiem, kas izmanto gaismas kvantu stāvokli un krāsu centru elektronu griešanās īpašības, tostarp kvantu sakarus, kvantu skaitļošanu un dažādus sensoru lietojumus.
Īpaši jāatzīmē slāpekļa vakances (NV) krāsu centrs – dimanta luminiscences punkta defekts, kas ir bijis intensīvu pētījumu priekšmets, pateicoties spējai viegli manipulēt ar tā kvantu stāvokli, pielietojot gaismas un RF laukus istabas temperatūrā.
Atkarībā no galīgā uzklāšanas procesa NV krāsu centrus var izveidot divos veidos. Viens no tiem ir slāpekļa dopinga kontrole CVD augšanas procesā, lai slāpekļa atomi tiktu izplatīti visā materiālā vēlamajā koncentrācijā. No otras puses, ir nepieciešama precīza atsevišķu krāsu centru telpiskā kontrole, izmantojot slāpekļa injekciju. Pēc tam režģa vakances tiek izveidotas ar augstas enerģijas elektronu apstarošanu, un kristāls tiek atkvēlināts augstā temperatūrā, lai mobilizētu vakances, lai savienotos ar kristāla slāpekļa atomiem, kā rezultātā veidojas NV krāsu centri. Līdzīgu pieeju var izmantot, lai izveidotu citus pielāgotus krāsu centrus, piemēram, silīcija vakanču (SiV) vai germānija vakanču (GeV) centrus.
Kvantu informācijas apstrādei ir nepieciešami krāsu centru masīvi - gan lai kontrolētu to kvantu īpašības, gan lai efektīvi savienotu atsevišķus centrus kopā, izmantojot fotoniskos dobumus. Dimanta ķīmiskās inerces un plašas tirgus pieejamības trūkuma dēļ joprojām ir jāpieliek ievērojamas pūles un finansējums, lai izstrādātu šādām konstrukcijām nepieciešamās nanoapstrādes metodes; tomēr pēdējos gados pētnieki ir guvuši lielu progresu šajā jomā, tostarp sarežģītu nanostruktūru izgatavošanu viļņvadu, kolonnu, dobumu un disku veidā, izmantojot dažādas fotolitogrāfijas metodes un kodināšanai izmantojot plazmas un reaktīvos jonu starus. .
Nākotnes izaicinājumi dimanta kvantu fotonikas sasniegšanā
Pēdējos gados pētnieki ir guvuši ievērojamus panākumus dimantu ražošanā ar augstu optisko kvalitāti un augstas kvalitātes krāsu centriem, kā arī ir ļāvuši izmantot daudzas jaunas un esošās uzlabotas fotonikas metodes.
Tomēr joprojām ir vairākas problēmas, pirms dimanta lietojumus kvantu fotonikā var veiksmīgi ieviest kā mērogojamus mikroshēmas tādām lietojumprogrammām kā kvantu informācijas apstrāde. Tie ietver: uz krāsu centrētu inženierijas uzlabošanu un kvantu bitu robustumu; vafeļu izgatavošana; un hibrīda integrācija ar citiem fotoniskajiem materiāliem un komponentiem. Neskatoties uz šiem izaicinājumiem, pašreizējie pētījumi, kas vērsti uz šīm jomām, ir ļoti aktīvi, un nākamajos gados ir gaidāms būtisks progress.