Pengembangan Teknologi Photonics Untuk Mempercepat Penerapan Artificial Diamond

Kemajuan dalam produksi berlian sintetis telah memungkinkan teknologi fotonik baru, tetapi masih banyak tantangan untuk teknologi baru ini dalam melayani aplikasi kuantum.
Selama dekade terakhir ini, didorong oleh sejumlah tren teknologi utama dan permintaan pasar, banyak teknologi fotonik komersial yang muncul yang memanfaatkan sifat fisik khusus berlian telah mengalami kemajuan yang signifikan. Inovasi dalam sintesis intan berkualitas optik dengan deposisi uap kimia (CVD), rekayasa pusat warna intan, dan teknologi untuk pembuatan komponen optik intan dan struktur fotonik telah memungkinkan kemajuan ini.
Aplikasi Photonics berdasarkan sifat intrinsik berlian yang sangat baik
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 kali lipat dari tembaga), sementara memiliki koefisien termo-optik yang rendah. Properti ini membuat optik intan ideal untuk aplikasi laser industri berdaya tinggi, termasuk permesinan, pengelasan, dan manufaktur aditif, yang dapat diterapkan ke berbagai bagian spektrum elektromagnetik.
Selain itu, intan adalah zat yang paling sulit diketahui di bumi, dan sangat keras serta kokoh, menjadikannya juga ideal untuk aplikasi pertahanan dan keamanan yang memerlukan komponen optik dan inframerah yang kokoh serta kemampuan untuk berfungsi di lingkungan yang sangat menantang.
Berlian CVD kualitas optik tersedia dalam bentuk kristal tunggal dan polikristalin. Keuntungan berlian polikristalin adalah dapat digunakan untuk perangkat dengan area luas berukuran besar hingga diameter 135 mm. Sebagai contoh, ini dapat digunakan sebagai jendela untuk laser CO2 10,6 μm berdaya tinggi untuk sistem litografi ultraviolet ekstrim (EUV) untuk simpul fabrikasi perangkat semikonduktor tercanggih.
Teknologi ini, yang didorong dengan mengikuti Hukum Moore, sangat bergantung pada mensintesis dan memproses jendela intan untuk standar kualitas optik yang ketat, karena tidak ada bahan optik lain yang dapat beroperasi di bawah kondisi laser ekstrim yang diperlukan.
Kerugian hamburan dalam berlian CVD polikristalin pada panjang gelombang lebih pendek dari sekitar 1,5 μm berarti bahwa sebagian besar aplikasi dalam kisaran tersebut ditangani menggunakan berlian kristal tunggal. Karena keterbatasan ukuran substrat intan yang tersedia saat ini, elemen intan kristal tunggal biasanya memiliki panjang sekitar 5-10 mm, dan meskipun beberapa produsen sedang mengembangkan intan kristal tunggal area besar pada substrat non-intan, bahan ini tidak dapat digunakan untuk semua aplikasi optik karena regangan internal yang relatif tinggi.
Terlepas dari keterbatasan ukuran, beberapa teknik fotonik berlian CVD kristal tunggal telah dikembangkan, seperti laser berlian Raman berdasarkan kristal unik penyerap cahaya rendah, birefringence rendah Elemen Enam.
Laser nonlinier ini mengeksploitasi fenomena hamburan Raman yang tereksitasi untuk mengubah sinar pompa menjadi sinar keluaran yang digeser Stokes, sehingga memperluas jangkauan sumber laser yang tersedia untuk aplikasi baru yang mencakup UV ke IR, termasuk: pengelasan material, pencetakan 3D, energi terarah , LIDAR, penginderaan jauh, dan bintang terpandu laser (LGS).
Intan memiliki salah satu koefisien penguatan Raman tertinggi, yang dikombinasikan dengan konduktivitas termalnya yang sangat baik, menjadikannya media penguatan yang ideal untuk mendemonstrasikan penskalaan daya dan peningkatan kecerahan, termasuk di wilayah spektral "aman mata manusia" sebesar 1.{{1} },8 μm. Dalam kisaran ini, pilihan sumber laser yang tersedia sebelumnya terbatas.
Memperluas Aplikasi Diamond melalui Color Core Engineering
Sementara berlian memiliki seperangkat sifat optik intrinsik yang sangat baik, ia juga memiliki ratusan cacat aktif optik (pusat warna) yang berbeda. Beberapa di antaranya penting untuk aplikasi teknis yang mengeksploitasi keadaan cahaya kuantum dan sifat spin elektron dari pusat warna, termasuk komunikasi kuantum, komputasi kuantum, dan berbagai aplikasi penginderaan.
Catatan khusus adalah pusat warna kekosongan nitrogen (NV) - cacat titik bercahaya pada berlian yang telah menjadi subjek penelitian intensif karena kemampuannya untuk dengan mudah memanipulasi keadaan kuantumnya dengan penerapan medan cahaya dan RF pada suhu kamar.
Bergantung pada proses aplikasi akhir, seseorang dapat membuat pusat warna NV dengan dua cara. Salah satunya dengan mengontrol doping nitrogen selama proses pertumbuhan CVD sehingga atom nitrogen terdistribusi ke seluruh bahan pada konsentrasi yang diinginkan. Di sisi lain, diperlukan kontrol spasial yang tepat dari masing-masing pusat warna, dengan menggunakan injeksi nitrogen. Kekosongan kisi kemudian dibuat oleh iradiasi elektron berenergi tinggi, dan kristal dianil pada suhu tinggi untuk memobilisasi kekosongan untuk berikatan dengan atom nitrogen dalam kristal, menghasilkan pusat warna NV. Pendekatan serupa dapat digunakan untuk membentuk pusat warna lain yang disesuaikan seperti pusat kekosongan silikon (SiV) atau kekosongan germanium (GeV).
Untuk pemrosesan informasi kuantum, susunan pusat warna diperlukan - baik untuk mengontrol sifat kuantumnya maupun untuk menggabungkan pusat individu secara efisien melalui rongga fotonik. Karena inertness kimia intan dan kurangnya ketersediaan pasar secara luas, upaya dan dana yang cukup besar masih diperlukan untuk mengembangkan teknik nanofabrikasi yang diperlukan untuk struktur seperti itu; Namun, dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah membuat kemajuan besar di bidang ini, termasuk pembuatan struktur nano kompleks dalam bentuk pandu gelombang, kolom, rongga, dan cakram, menggunakan berbagai teknik fotolitografi, dan menggunakan berkas plasma dan ion reaktif untuk etsa. .
Tantangan masa depan untuk mencapai fotonik kuantum berlian
Dalam beberapa tahun terakhir, para peneliti telah membuat kemajuan yang signifikan dalam memproduksi berlian dengan kualitas optik intrinsik tinggi dan pusat warna berkualitas tinggi, dan telah memungkinkan banyak teknik fotonik canggih baru dan yang sudah ada.
Namun, sejumlah tantangan tetap ada sebelum aplikasi intan dalam fotonika kuantum dapat berhasil diimplementasikan sebagai chip yang dapat diskalakan untuk aplikasi seperti pemrosesan informasi kuantum. Ini termasuk: peningkatan teknik yang berpusat pada warna dan kekokohan bit kuantum; pembuatan wafer; dan integrasi hibrid dengan bahan dan komponen fotonik lainnya. Terlepas dari tantangan ini, penelitian saat ini diarahkan ke bidang ini sangat aktif dan kemajuan substansial diharapkan di tahun-tahun mendatang.