Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) работают с уникальным источником терагерцевого излучения – Новосибирским лазером на свободных электронах (НЛСЭ). С его помощью они научились генерировать плазмон-поляритоны, что позволяет изучать различные материалы - кандидаты для создания плазмонных интегральных схем.

Было создано специальное оптическое устройство, позволяющее исследовать оптические свойства материалов с целью миниатюризации интегральных схем. Результаты экспериментов с золотом, покрытым слоем сульфида цинка, подтвердили эффективность работы и метода. Статья об исследовании опубликована в журнале Plasmonics.

Кремниевая микроэлектроника и электрические сигналы, похоже, близки к физическим барьерам в плане доступных плотностей размещения узлов и рабочих частот. Заявление спорное, но ученые постоянно пробуют различные другие материалы, которые обещают более простые способы повышения рабочих частот. Стык фотоники и плазмоники обещает возможность прорыва - вместо объемных сигналов (фотонов) можно будет использовать поверхностные плазмон-поляритоны (ППП).

ППП - это комплекс связанных колебаний поверхностной электромагнитной волны и волны свободных зарядов на поверхности проводника. В терагерцевом диапазоне частот они могут быть носителями информации в плазмонных компонентах фотонных устройств. Основное преимущество ППП в том, что они способны устранить основной «ограничитель» минимизации размеров фотонных микросхем – дифракцию. Это свойство волн устанавливает минимально возможный размер элементов, который обычно составляет порядка половины длины волны света.

Из-за дифракции свет рассеивается при попытке ограничить его в элементах, меньших этой величины. Это вызывает потери и искажение сигнала, нежелательную связь между компонентами и не позволяет бесконечно уменьшать компоненты схемы. ППП могут локализовать электромагнитное излучение на границе раздела металл/диэлектрик, тем самым открывая возможность работать с субволновым вертикальным масштабом.

«Новосибирский лазер на свободных электронах – источник мощного терегерцевого и инфракрасного излучения, аналогов которому нет не только в России, но и в мире. По средней мощности он в десятки и более раз превышает другие существующие в мире ТГц источники, что позволяет проводить уникальные эксперименты в очень широкой области длин волн (от 8 до 403 микрометров), – рассказала младший научный сотрудник ИЯФ СО РАН Валерия Кукотенко. – Используя излучение нашего НЛСЭ, мы разработали оптическое устройство для реализации нового метода определения глубины проникновения поля плазмон-поляритонов в воздух над поверхностью материала проводника. В данном случае мы работали с золотым напылением толщиной 1 микрометр, покрытым слоем сульфида цинка такой же толщины. Устройство мы создавали и постоянно улучшали в течение трех лет. В последнюю версию мы добавили возможность измерять отражение ППП от проводящего экрана и оценивать их дифракционные потери. Важным достоинством данного метода является то, что он неинвазивный – теперь все исследования мы проводим, не касаясь хрупкого образца и не деформируя его».

По словам специалистов, они закончили отработку метода, определили границы его применимости.

«Метод экранирования на нашем оптическом устройстве показал свою эффективность. Благодаря учету дифракционных потерь мы смогли наиболее корректно измерить глубину проникновения ППП в воздух, то есть ту самую локализацию поля. Также из экспериментальных данных мы определили эффективную диэлектрическую проницаемость приповерхностного слоя золота в терагерцевом диапазоне и ее дисперсию, которые ранее не были известны. Наличие метода и оборудования для получения подобных данных будут необходимы при разработке плазмонных интегральных схем, например, на основе графена или углеродных нанотрубок, и определения вертикальных размеров их элементов. В зависимости от материала возможности нашего устройства позволят работать даже с очень тонкими (порядка сотен нанометров) материалами», – пояснила Валерия Кукотенко.

Информация о локализации плазмонного поля у поверхности проводника, получаемая с помощью метода экранирования в ИЯФ СО РАН, будет актуальна и для других исследований. Например, для разработки и проектирования компактных ТГц-генераторов (гиротронов), работающих на частотах выше 1 ТГц – их созданием совместно с сотрудниками ИЯФ занимаются в Институте прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН.

По материалам публикации ИЯФ СО РАН

--

теги: горизонты технологий НЛСЭ Новосибирский лазер на свободных электронах поверхностные плазмон-поляритоны микроэлектроника

--