Dezvoltarea tehnologiei fotonice pentru a accelera aplicarea diamantului artificial

Progresele în producția de diamante sintetice au făcut posibile noi tehnologii fotonice, dar rămân multe provocări pentru aceste noi tehnologii în deservirea aplicațiilor cuantice.
În ultimul deceniu sau cam asa ceva, determinate de o serie de tendințe tehnologice cheie și de cererea pieței, multe tehnologii fotonice comerciale emergente care profită de proprietățile fizice speciale ale diamantului au înregistrat progrese semnificative. Inovațiile în sinteza diamantului de calitate optică prin depunere de vapori chimici (CVD), ingineria centrului de culoare al diamantului și tehnologiile pentru fabricarea componentelor optice diamantate și a structurilor fotonice au făcut posibile aceste progrese.
Aplicații fotonice bazate pe excelentele proprietăți intrinseci ale diamantului
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 (>de 5 ori mai mare decât cuprul), având în același timp un coeficient termo-optic scăzut. Aceste proprietăți fac ca optica diamantată să fie ideală pentru aplicațiile laser industriale de mare putere, inclusiv prelucrarea, sudarea și fabricarea aditivă, unde este aplicabilă la multe părți diferite ale spectrului electromagnetic.
În plus, diamantul este cea mai dură substanță cunoscută de pe pământ și este extrem de dur și robust, făcându-l ideal și pentru aplicații de apărare și securitate care necesită componente optice și infraroșii robuste și capacitatea de a funcționa în medii foarte dificile.
Diamantul CVD de calitate optică este disponibil în forme monocristaline și policristaline. Avantajul diamantului policristalin este că poate fi folosit pentru dispozitive de dimensiuni mari cu suprafață mare de până la 135 mm în diametru. De exemplu, poate fi folosit ca o fereastră pentru lasere CO2 de mare putere de 10,6 μm pentru sisteme de litografie cu ultraviolete extreme (EUV) pentru cele mai avansate noduri de fabricare a dispozitivelor semiconductoare.
Această tehnologie, care este condusă de ținerea pasului cu Legea lui Moore, se bazează în mare măsură pe sintetizarea și procesarea ferestrelor de diamant la standarde stricte de calitate optică, deoarece niciun alt material optic nu poate funcționa în condițiile extreme ale laserului.
Pierderile prin împrăștiere în diamantul policristalin CVD la lungimi de undă mai scurte de aproximativ 1,5 μm înseamnă că majoritatea aplicațiilor din acel interval sunt abordate folosind diamantul monocristal. Datorită limitărilor de dimensiune ale substraturilor de diamant disponibile în prezent, elementele de diamant cu un singur cristal au, de obicei, aproximativ 5-10 mm în lungime și, deși unii producători dezvoltă diamante cu un singur cristal de suprafață mare pe substraturi care nu sunt diamantate, acest material nu poate poate fi utilizat pentru toate aplicațiile optice datorită tensiunii sale interne relativ mari.
În ciuda limitărilor de dimensiune, au fost dezvoltate unele tehnici de fotonică a diamantului CVD cu un singur cristal, cum ar fi laserele Raman cu diamante bazate pe cristalele unice cu absorbție scăzută a luminii și birefringență reduse ale Element Six.
Aceste lasere neliniare exploatează fenomenul de împrăștiere Raman excitată pentru a converti fasciculul pompei într-un fascicul de ieșire deplasat de Stokes, extinzând astfel gama de surse laser disponibile pentru noi aplicații care acoperă UV la IR, inclusiv: sudarea materialelor, imprimarea 3D, energia direcționată. , LIDAR, teledetecție și stele ghidate cu laser (LGS).
Diamantul are unul dintre cei mai mari coeficienți de amplificare Raman, care, combinat cu conductivitate termică excelentă, îl face un mediu de câștig ideal pentru a demonstra scalarea puterii și îmbunătățirea luminozității, inclusiv în regiunea spectrală „sigură pentru ochiul uman” de 1.{{1} }.8 μm. În această gamă, alegerea surselor laser disponibile a fost anterior limitată.
Extinderea aplicațiilor Diamond prin ingineria Color Core
În timp ce diamantul are un set excelent de proprietăți optice intrinseci, el are și sute de defecte optic active diferite (centre de culoare). Unele dintre acestea sunt importante pentru aplicațiile tehnice care exploatează starea cuantică a luminii și proprietățile spinului electronic al centrilor de culoare, inclusiv comunicațiile cuantice, calculul cuantic și o serie de aplicații de detectare.
De remarcat în mod deosebit este centrul de culoare al azotului liber (NV) - un defect punct luminiscent al diamantului care a făcut obiectul unor cercetări intense datorită capacității de a manipula cu ușurință starea sa cuantică prin aplicarea câmpurilor de lumină și RF la temperatura camerei.
În funcție de procesul final de aplicare, se pot crea centre de culoare NV în două moduri. Una este prin controlul dopării azotului în timpul procesului de creștere CVD, astfel încât atomii de azot să fie distribuiți în material la concentrația dorită. Pe de altă parte, este necesar un control spațial precis al centrelor individuale de culoare, folosind injecția de azot. Vacantele rețelei sunt apoi create prin iradierea cu electroni de înaltă energie, iar cristalul este recoapt la temperaturi ridicate pentru a mobiliza locurile libere pentru a se lega cu atomii de azot din cristal, rezultând centre de culoare NV. O abordare similară poate fi utilizată pentru a forma alte centre de culoare personalizate, cum ar fi centrele de locuri vacante de siliciu (SiV) sau centre de vacante de germaniu (GeV).
Pentru procesarea informațiilor cuantice, sunt necesare rețele de centre de culoare - atât pentru a controla proprietățile lor cuantice, cât și pentru a cupla eficient centrele individuale prin cavitățile fotonice. Datorită inerției chimice a diamantului și a lipsei disponibilității pe scară largă a pieței, este încă necesar un efort considerabil și finanțare pentru a dezvolta tehnicile de nanofabricare necesare pentru astfel de structuri; cu toate acestea, în ultimii ani, cercetătorii au făcut progrese mari în acest domeniu, inclusiv fabricarea de nanostructuri complexe sub formă de ghiduri de undă, coloane, cavități și discuri, folosind o varietate de tehnici de fotolitografie și utilizând plasmă și fascicule de ioni reactivi pentru gravare. .
Provocări viitoare pentru realizarea fotonicii cuantice a diamantelor
În ultimii ani, cercetătorii au făcut progrese semnificative în producerea de diamante cu o calitate optică intrinsecă ridicată și centre de culoare de înaltă calitate și au permis multe tehnici fotonice avansate noi și existente.
Cu toate acestea, rămân o serie de provocări înainte ca aplicațiile de diamant în fotonica cuantică să poată fi implementate cu succes ca cipuri scalabile pentru aplicații precum procesarea informațiilor cuantice. Acestea includ: îmbunătățirea ingineriei centrate pe culoare și robustețea biților cuantici; fabricarea de napolitane; și integrarea hibridă cu alte materiale și componente fotonice. În ciuda acestor provocări, cercetările actuale îndreptate către aceste domenii sunt foarte active și se așteaptă progrese substanțiale în următorii ani.