Yapay Elmas Uygulamasını Hızlandırmak İçin Fotonik Teknoloji Geliştirme

Sentetik elmas üretimindeki ilerlemeler, yeni fotonik teknolojilerini mümkün kıldı, ancak kuantum uygulamalarına hizmet eden bu yeni teknolojiler için pek çok zorluk devam ediyor.
Son on yılda, bir dizi önemli teknoloji trendi ve pazar talebiyle yönlendirilen, elmasın özel fiziksel özelliklerinden yararlanan birçok ticari, yeni ortaya çıkan fotonik teknolojisi önemli ilerlemeler kaydetti. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile optik kalitede elmasın sentezindeki yenilikler, elmas renk merkezi mühendisliği ve elmas optik bileşenlerinin ve fotonik yapıların imalatına yönelik teknolojiler bu ilerlemeleri mümkün kıldı.
Elmasın mükemmel iç özelliklerine dayalı fotonik uygulamaları
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 (>Bakırın 5 katı), düşük bir termo-optik katsayıya sahipken. Bu özellikler, elmas optiği, elektromanyetik spektrumun birçok farklı parçasına uygulanabilir olduğu işleme, kaynak ve eklemeli imalat dahil olmak üzere yüksek güçlü endüstriyel lazer uygulamaları için ideal hale getirir.
Ek olarak, elmas dünyadaki bilinen en sert maddedir ve son derece sert ve sağlamdır, bu da onu sağlam optik ve kızılötesi bileşenler ve çok zorlu ortamlarda çalışabilme yeteneği gerektiren savunma ve güvenlik uygulamaları için ideal kılar.
Optik kalitede CVD elmas, tek kristal ve polikristal formlarda mevcuttur. Polikristalin elmasın avantajı, çapı 135 mm'ye kadar olan büyük boyutlu geniş alanlı cihazlar için kullanılabilmesidir. Örneğin, en gelişmiş yarı iletken cihaz imalat düğümleri için aşırı ultraviyole (EUV) litografi sistemleri için yüksek güçlü 10,6 μm CO2 lazerler için bir pencere olarak kullanılabilir.
Moore Yasasına ayak uydurarak yönlendirilen bu teknoloji, gereken aşırı lazer koşulları altında başka hiçbir optik malzeme çalışamayacağından, büyük ölçüde elmas pencerelerin sıkı optik kalite standartlarına göre sentezlenmesine ve işlenmesine dayanır.
Yaklaşık 1,5 μm'den daha kısa dalga boylarında çok kristalli CVD elmasındaki saçılma kayıpları, bu aralıktaki çoğu uygulamanın tek kristal elmas kullanılarak ele alındığı anlamına gelir. Halihazırda mevcut olan elmas alt tabakaların boyut sınırlamaları nedeniyle, tek kristalli elmas elementler tipik olarak yaklaşık 5-10 mm uzunluğundadır ve bazı üreticiler elmas olmayan alt tabakalar üzerinde geniş alanlı tek kristalli elmaslar geliştiriyor olsa da, bu malzeme Nispeten yüksek iç gerilimi nedeniyle tüm optik uygulamalar için kullanılabilir.
Boyut sınırlamalarına rağmen, Element Six'in benzersiz düşük ışık soğurma, düşük çift kırılma kristallerine dayalı elmas Raman lazerleri gibi bazı tek kristal CVD elmas fotonik teknikleri geliştirilmiştir.
Bu lineer olmayan lazerler, pompa ışınını Stokes kaydırmalı bir çıkış ışınına dönüştürmek için uyarılmış Raman saçılması olgusundan yararlanır ve böylece malzeme kaynağı, 3D baskı, yönlendirilmiş enerji dahil olmak üzere UV'den IR'ye kadar yeni uygulamalar için mevcut lazer kaynakları yelpazesini genişletir. , LIDAR, uzaktan algılama ve lazer güdümlü yıldızlar (LGS).
Diamond, en yüksek Raman kazanç katsayılarından birine sahiptir ve bu, mükemmel termal iletkenliğiyle birleştiğinde onu, "insan gözü için güvenli" 1 spektral bölgesi dahil, güç ölçekleme ve parlaklık geliştirmeyi göstermek için ideal bir kazanç ortamı haline getirir.{{1} },8 mikron. Bu aralıkta, mevcut lazer kaynaklarının seçimi daha önce sınırlıydı.
Color Core Engineering ile Diamond'ın Uygulamalarını Genişletmek
Elmas mükemmel bir içsel optik özelliklere sahipken, aynı zamanda yüzlerce farklı optik olarak aktif kusura (renk merkezleri) sahiptir. Bunlardan bazıları, kuantum iletişimi, kuantum hesaplama ve bir dizi algılama uygulaması dahil olmak üzere ışığın kuantum durumundan ve renk merkezlerinin elektron spin özelliklerinden yararlanan teknik uygulamalar için önemlidir.
Nitrojen boşluğu (NV) renk merkezi - oda sıcaklığında ışık ve RF alanlarının uygulanmasıyla kuantum durumunu kolayca manipüle etme yeteneği nedeniyle yoğun araştırmalara konu olan elmasta bir ışıldama noktası kusuru - özellikle dikkat çekicidir.
Nihai başvuru sürecine bağlı olarak, NV renk merkezleri iki şekilde oluşturulabilir. Birincisi, nitrojen atomlarının istenen konsantrasyonda malzeme boyunca dağılması için CVD büyüme işlemi sırasında nitrojen katkısının kontrol edilmesidir. Öte yandan, nitrojen enjeksiyonu kullanılarak her bir renk merkezinin hassas uzamsal kontrolü gereklidir. Kafes boşlukları daha sonra yüksek enerjili elektron ışınlaması ile oluşturulur ve kristal, boşlukları kristaldeki nitrojen atomları ile bağlanmak üzere harekete geçirmek için yüksek sıcaklıklarda tavlanır, bu da NV renk merkezleriyle sonuçlanır. Benzer bir yaklaşım, silikon boşlukları (SiV) veya germanyum boşlukları (GeV) merkezleri gibi diğer özelleştirilmiş renk merkezlerini oluşturmak için kullanılabilir.
Kuantum bilgi işleme için, hem kuantum özelliklerini kontrol etmek hem de tek tek merkezleri fotonik boşluklar aracılığıyla verimli bir şekilde birleştirmek için renk merkezleri dizilerine ihtiyaç vardır. Elmasın kimyasal inertliği ve yaygın pazar mevcudiyetinin olmaması nedeniyle, bu tür yapılar için gerekli olan nanofabrikasyon tekniklerini geliştirmek için hala önemli çaba ve finansman gerekmektedir; bununla birlikte, son yıllarda araştırmacılar, çeşitli fotolitografi teknikleri kullanarak ve dağlama için plazma ve reaktif iyon ışınları kullanarak dalga kılavuzları, sütunlar, boşluklar ve diskler şeklinde karmaşık nanoyapıların imalatı da dahil olmak üzere bu alanda büyük ilerleme kaydettiler. .
Elmas kuantum fotoniklerine ulaşmak için gelecekteki zorluklar
Son yıllarda araştırmacılar, yüksek içsel optik kaliteye ve yüksek kaliteli renk merkezlerine sahip elmasların üretilmesinde önemli ilerlemeler kaydettiler ve birçok yeni ve mevcut gelişmiş fotonik tekniği etkinleştirdiler.
Bununla birlikte, kuantum fotonikteki elmas uygulamalarının, kuantum bilgi işleme gibi uygulamalar için ölçeklenebilir çipler olarak başarılı bir şekilde uygulanabilmesinden önce bir takım zorluklar devam etmektedir. Bunlar şunları içerir: renk merkezli mühendisliğin iyileştirilmesi ve kuantum bitlerinin sağlamlığı; gofret üretimi; ve diğer fotonik malzemeler ve bileşenlerle hibrit entegrasyon. Bu zorluklara rağmen, bu alanlara yönelik mevcut araştırmalar çok aktiftir ve önümüzdeki yıllarda önemli ilerlemeler beklenmektedir.