Alex Keita 的哥伦比亚大学实验室展示了一种使用桌面激光系统中的中红外光“去除”二维六方氮化硼原子级锐利特征的方法。
在各种材料中蚀刻或图案化纳米结构的能力为电子和光子学打开了大门，实现了新的等离子体器件和超材料。但创造这种纳米图案的技术——电子束光刻、化学蚀刻和飞秒激光写入——并不是周末爱好的东西。相反，这些方法通常需要在昂贵的洁净室系统中进行多步骤处理。它们也会损坏标本，并在其尾迹中留下残留物或碎片。
现在，美国哥伦比亚大学的Alexander Keita实验室设计了一种方法，只使用间隙中的中红外激光，就可以在2D材料中创建至少一种类型的纳米图案——直接的核锐切。为了实现这一巧妙的技巧，该团队仔细地调整了激光，以剧烈激发材料中的振动共振声子，从而在整个材料中形成并传播一个直的、原子级精确的裂纹。结果如何?尖锐的纳米级特征;不需要干净的房间。
该团队称这种技术为“解压”一个显著的特点是它产生的裂纹具有纳米级的锐度，比驱动激光的中红外波长小几个数量级领导这项工作的哥伦比亚大学研究生Cecilia Chen在一份新闻稿中描述道：“通常，你需要更短的波长来创建更小的图案。这是一个自相矛盾的现象。”
在hBN中变为零
陈和团队选择的层状2D材料是六方氮化硼(hBN)作为非芯片技术的试验台。这种物质作为润滑油和化妆品的添加剂有着悠久的历史，最近引起了人们的兴趣。一种有前途的光子和光电子材料另一种二维材料石墨烯是许多线性光学应用的基底。
该技术的一个显著特点是其产生的裂纹具有纳米级的锐度，比驱动激光的中红外波长小几个数量级。
hBN的一些能量与其晶体结构在7.3µm的自由空间光学波长下的强振动(声子)共振有关，该区域可用于平板中红外激光器。事实上，在去年年底发布的工作中，Keita的团队表明，用调谐到该波长的激光退火高质量的hBN薄片可以诱导和放大非光学现象，如四波混频和三次谐波产生。在那项研究中，目的是改善完整晶体的非线性特性，因此研究人员有意将中红外激光强度保持在50 TW/cm2以下。
驾驶困难的东西
在陈领导的这项新研究中，该团队想知道他们是否可以使用相同的中红外共振来实际修饰hBN晶体。为了做到这一点，他们设置了一个类似的测试设置，然后用力驱动激光，使其通过损伤阈值。
具体而言，该团队在平板电脑系统中集成了钛宝石锁模振荡器、啁啾脉冲放大器、光学参数放大器和差频生成模块，以生成120 fs、7.3µm波长。重复频率为1kHz的脉冲。脉冲光束通过40倍显微镜物镜反射，并在超高纯度hBN样品中聚焦到50至65TW/cm2的强度。沿着光束路径的可调节电子快门允许团队进一步控制到达样本的脉冲数量。
裂纹特征显微图
AFM图像显示了中红外非芯片技术实现的纳米级特征的例子，包括长线性裂纹(顶部)、准周期光栅结构(左下)和用于声子限制和放大的双裂纹法布里-珀罗腔。Poles(右下)[图片：C.Y.Chen等人，Sci.Adv.，doi:10.126/ciadv.adi3653(2024);CC BY-NC 4.0]
激光处理导致在激光点产生裂纹——可能是hBN晶体内部缺陷的结果——这导致裂纹尖端快速、“大多是单向的”通过晶体传播。研究人员能够用显微镜实时观察裂纹扩展过程，并估计裂纹扩展速度为100µm/s。
原子力显微镜和原子尺度的侧向力显微镜证实了所产生的特征在原子上是尖锐的。该团队发现，这项技术的有效性不仅在于仔细调整激光波长，而且(毫不奇怪)在于精确对准激光的偏振，以利用晶体的对称结构。
逃离洁净室?
使用中红外平板激光创造纳米级特征无疑是一项伟大的成就。但是它有什么用呢?
至少，陈和他的同事们希望提供一种新的、无清洁室的方法来蚀刻用于异质结构的hBN。事实上，研究人员报告称，通过用不同偏振的激光照射相邻区域，他们可以为半导体掩模图案化等应用提供更复杂、更定制的晶片形状。该团队还表明，该技术可用于在hBN中创建准周期光栅结构。
也许最有趣的是在创建声子极性子方面的一些可能应用——光子和光学声子耦合产生的共振准粒子。这些准粒子方法在许多领域都有前景，包括衍射极限成像、一些量子应用和光学器件的小型化。该团队的实验表明，与传统hBN薄片的自然边缘相比，红外照明可以更有效地在非芯片方法产生的超尖锐边界激发这些有用的准粒子。在一个模型中，该团队能够创建一个法布里-珀罗腔，通过平行解耦两条线来限制和放大这种声子极性子。
陈柏芝在这项研究的新闻稿中指出，这项技术还有很大的改进空间。特别是，解芯片过程非常精细，需要仔细调谐激光和精确定向才能获得最佳结果。现在，这是hBN特有的，即该材料的7.3µm波长共振。
然而，不同的激光器允许将该过程导出到其他材料。在这个主题上，碳化硅(SiC)——一种对量子应用和社会电气化越来越重要的材料，但很难加工——和hBN一样，是一种具有红外有源光学的极性晶体。声子的共振波长约为10µm。也许，使用正确的激光器，去芯片也可以成为SiC加工工具包的一部分。
