Новая терагерцовая технология позволяет "заглянуть" внутрь кристаллов полупроводниковых чипов


Группа ученых из университета Эксетера (University of Exeter), университета Глазго (University of Glasgow) и компании QinetiQ разработала технологию, которая позволяет видеть сквозь кремниевые подложки и производить поиски крошечных дефектов, возникших в ходе производства кристаллов полупроводниковых чипов. В качестве доказательства работоспособности технологии ученые произвели изучение кремниевого кристалла с подложкой, толщиной 115 микрометров, а дефекты были обнаружены за счет регистрации аномалий в движении электронов в полупроводниковом материале, которое возникает под воздействием терагерцового излучения.

Токопроводящий кремний является прозрачным для терагерцового излучения, излучения, находящегося между инфракрасном и микроволновым диапазонами электромагнитного спектра, с длинами волн от 150 нанометров до 1.5 миллиметров. Просветив, словно рентгеном, терагерцовыми лучами область кристалла чипа, размерами 2 на 2 миллиметра, ученые получили достаточно точное изображение структуры кристалла, на котором было видно даже мельчайшие дефекты.


Основой нового метода терагерцовой съемки является сверхскоростной титаново-сапфировый лазер с длиной волны 800 нм, который вырабатывает импульсы, длительностью в несколько единиц и десятков фемтосекунд. Преобразование импульсов света лазера в импульсы терагерцового излучения производится при помощи оптико-электронных компонентов, изготовленных из теллурида цинка (ZnTe). Несколько стандартных оптических приборов используются для направления и фокусировки полученных терагерцовых лучей в необходимой точке пространства, а обратное превращение лучей в электрический сигнал (детектирование), производится при помощи компонентов, опять же изготовленных из теллурида цинка.

Высокая разрешающая способность изображений, которая получается за счет использования специальной модуляции импульсов терагерцового излучения, позволяет различить дефекты, размерами до 8 микрометров. А дальнейшее совершенствование данной технологии позволит разработать методы неразрушающего промышленного контроля, которые можно применять на производствах, занимающихся изготовлением полупроводниковой продукции.


А еще в более далекой перспективе подобные методы могут быть использованы для исследований тонких срезов биологических тканей с целью выявления симптомов некоторых заболеваний. К сожалению, для исследований толстых слоев тканей биологической природы терагерцовое излучение подходит не очень хорошо. Ведь в этих тканях содержится большое количество воды, молекулы которой эффективно поглощают электромагнитные волны терагерцового диапазона.

Источник

Новые крошечные кремниевые лазеры позволят создать высокоэффективные микропроцессоры следующего поколения


Кремний уже достаточно давно является основой множества технологий, начиная от солнечных батарей и заканчивая практически всеми электронными устройствами. Но лазер, одно из наиболее перспективных электронно-оптических устройств, долго оставался компонентом, который не удавалось изготовить на основе кремния. Но не так давно группа исследователей все же нашла способ воплощения в кремнии крошечного лазера, что открывает возможности интеграции фотонных элементов на кремниевые чипы, что, в свою очередь, позволит создать фотонные и электронно-фотонные микропроцессоры для компьютеров следующих поколений.

За последние годы ученые разработали целый ряд видов реализации крошечных лазеров, которые можно интегрировать на кремниевые чипы. Но все эти лазеры были изготовлены из сплава олова-германия, арсенида галлия и других соединений, что вызывает ряд определенных трудностей и делает нецелесообразным процесс массового производства этих элементов.

Для создания кремниевого миниатюрного лазера потребовались усилия достаточно многочисленной группы ученых, в которую входили ученые из гонконгского университета Науки и технологий (Hong Kong University of Science and Technology), Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Национальной лаборатории Сандиа и Гарвардского университета. Первым шагом, которые сделали ученые, стала методика выращивания кремния, при которой количество дефектов в кристаллической решетке этого материала было сведено к минимуму. Это было достигнуто за счет создания на поверхности монокристаллической подложки кремниевых наноструктур, процесс выращивания которых позволил минимизировать количество дефектов, что, в свою очередь, гарантирует надежное удержание электронов в пределах создаваемых шаблонов квантовых точек.


Созданные кремниевые нанолазеры используют сейчас оптическую накачку, процесс, в котором свет применяется для перевода электронов из более низкого в более высокое энергетическое состояние. И во время обратного перехода электрона в более низкое состояние он излучает фотон света с определенными характеристиками, а все устройство в целом действует как микроскопический лазер.

Обычные полупроводниковые лазеры, используемые в электронной технике, имеют размеры минимум 1 на 1 миллиметра. При дальнейшем уменьшении размеров кристалла лазера в нем возникают существенные энергетические потери, связанные с несоответствием размеров кристалла (волновода) и длины волны излучаемого света. Новые лазеры имеют размер порядка одного микрона, они меньше обычных лазеров в 1000 раз, а их площадь меньше площади обычных лазеров в миллион раз. Такое сокращение размеров лазера стало возможным за счет использования так называемого эффекта шепчущей галереи, эффекта распространения акустических волн вдоль внутренней поверхности круглой или сферической структуры. Только в данном случае этот эффект был применен по отношению к волнам света.

Следующим шагом, который намерены сделать ученые станет создание аналогичного лазера с электрической накачкой. Это позволит изготавливать чипы с такими лазерами при помощи традиционных методов производства полупроводниковых чипов и микроэлектроники. А это, в свою очередь позволит создать быстродействующие микропроцессоры, внутри которых данные будут передаваться не при помощи электрических сигналов, а при помощи фотонов света.

Источник

Крошечные нанозеркала позволяют "смешать" материю со светом


Когда атом или молекула излучает фотон света, этот фотон обычно не возвращается назад к молекуле. Однако исследователям удалось поместить молекулу внутрь крошечной оптической впадины. И, если эта молекула испускает фотон света, он отражается от стенок впадины и возвращается в ней прежде, чем успевает полностью отделиться. В результате этого возникают колебания, энергия которых постоянно передается от молекулы к фотону и обратно, что приводит к своего рода полному "смешиванию" света и материи. Подобные попытки смешивания света с материей предпринимались и ранее, но для этого требовалось очень сложное оборудование, а процесс проводился в условиях сверхнизких температур. Ученые же из Кембриджского университета разработали метод, позволяющий получить "симбиоз" материи и света при комнатной температуре.

Для того, чтобы обеспечить "смешивание" материи со светом ученым пришлось разработать технологию изготовления оптических впадин, размером всего в один нанометр (одна миллиардная часть метра). Эти впадины были образованы в промежутке между двумя зеркальными поверхностями золотых наночастиц, а внутрь этого промежутка была помещена одна молекула органического красителя. Размещение молекулы в строго заданном месте промежутка также было не самой простой задачей, для этого молекула была помещена в "бочкообразную" молекулярную оболочку, которая удерживала ее внутри в строго вертикальном положении.

Когда структура такого оптико-молекулярного резонатора собрана правильно, то молекула, получив некоторое количество энергии извне, как бы "раскалывается" на две молекулы, находящиеся в разных квантовых состояниях. И именно это является основным признаком смешивания материи со светом. Время перехода из одного квантового состояния в другое составляет менее триллионной доли секунды, именно столько времени требуется для излучения молекулой фотона и возвращения этого фотона назад к молекуле.

Еще одной проблемой, с которой столкнулись ученые, стала проблема измерения и регистрация собственно события "смешивания" света и материи. Для этого была разработана специальная методика, которая позволяла ученым не вмешиваться в происходящие в оптической впадине процессы, но для сбора достаточного количества данных потребовалось несколько месяцев проведения непрерывных измерений. После того, как методика измерений была отработана, ученые оказались в состоянии определить любую комбинацию квантовых состояний, в которых находились одна, две или три молекулы, помещенные в промежуток между наночастицами.

И в заключении следует отметить, что столь необычное взаимодействие материи со светом обеспечивает абсолютно новые способы управления физическими и химическими свойствами материи. Так же это может использоваться для передачи, хранения и обработки квантовой информации, для реализации процессов искусственного фотосинтеза и для прямого управления образованием химических связей между отдельными атомами.

Источник

Ученые обнаружили, что электрические поля активизируют иммунную систему и способствуют заживлению ран и повреждений


Очень слабые электрические токи, возникающие в живых тканях под воздействием приложенных извне электрических полей являются причиной увеличения скорости заживления ран и повреждений тканей. Кроме этого, воздействие электрических полей уменьшают риск инфекционного поражения в случае, если в организме из-за некоторых видов заболеваний наблюдается нехватка иммуноцитов, клеток, являющихся основными агентами иммунной системы организма.

Проводя эксперименты, ученые из Абердинского университета (University of Aberdeen), заметили, что лейкоциты, которые "поедают" посторонние объекты, попавшие в живые ткани, активизируются и начинают перемещаться к областям с более высокой напряженностью электрического поля. Такие области возникают естественным путем в случае повреждения кожного покрова, к примеру, и в этих областях идет процесс, называемый фагоцитозом, в результате которого место повреждения очищается и избавляется от посторонней инфекции за счет работы иммуноцитов.

Воздействие дополнительного внешнего электрического поля позволяет активизировать процесс фагоцитоза еще больше и процесс заживления ран начинает идти еще быстрее. "Результаты наших исследований открывают перспективу разработки новых методов лечения на основе воздействия электрических полей" - пишут исследователи, - "При помощи этих полей можно подстегнуть функции фагоцитов в случае других заболеваний воспалительно-инфекционного плана или в случае неудовлетворительной работы иммунной организма".

В своей дальнейшей работе ученые будут выяснять зависимость уровня активизации иммунной системы от напряженности прикладываемых электрических полей. Также будут проведены исследования максимального уровня электрического потенциала, который можно прикладывать к месту повреждения тканей без нанесения организму какого-либо ущерба. "И, в конце концов, все это должно привести к появлению новых методов заживления ран и лечения заболеваний, таких как инфекции, рак и др., в которых "первую скрипку" будут играть макрофаги, которые, в свою очередь, являются главным оружием иммунной системы" - рассказывает Джон Вэрри (John Wherry), один из исследователей.

Источник