現代計算機芯片可以構建納米級結構。到目前為(wei) 止，隻能在矽晶片頂部形成這種微小結構，但現在一種新技術可以在表麵下的一層中創建納米級結構。該方法的發明者表示，它在光子學和電子學領域都有著廣闊的應用前景，有朝一日，人們(men) 可以在整個(ge) 矽片上製造3D 結構。

該技術依賴於(yu) 矽對某些波長的光透明這一事實。這意味著合適的激光可以穿過晶圓表麵並與(yu) 下麵的矽相互作用。但設計一種既可以穿過表麵又不會(hui) 造成損壞、還能在下麵進行精確納米級製造的激光並不簡單。

土耳其安卡拉比爾肯特大學的研究人員通過使用空間光調製來創建針狀激光束，從(cong) 而更好地控製光束能量的分布位置，從(cong) 而實現了這一目標。通過利用激光和矽之間的物理相互作用，他們(men) 能夠製造具有不同光學特性的線和平麵，這些線和平麵可以組合起來在表麵下創建納米光子元件。

使用激光在矽片內(nei) 部進行製造並非新鮮事。但領導這項研究的比爾肯特大學物理學助理教授onur Tokel解釋說，到目前為(wei) 止，隻能製造出微米級結構。他說，將這種方法擴展到納米級可以釋放新的能力，因為(wei) 它可以製造出與(yu) 入射光波長大小相當的特征。當這種情況發生時，這些結構會(hui) 表現出一係列新穎的光學行為(wei) ，除其他外，這使得製造超材料和超表麵成為(wei) 可能。

“矽是電子、光子學和光伏技術的基石， Tokel說。“如果我們(men) 能在納米級晶圓內(nei) 部引入額外的功能，以補充這些現有的功能，這將帶來一個(ge) 完全不同的範例。現在你可以想象在體(ti) 積內(nei) 做事，甚至可能最終在三維空間中做事。我們(men) 相信這將開辟令人興(xing) 奮的新方向。”

以前的技術無法在納米尺度上製造，因為(wei) 激光一旦進入矽內(nei) 部就會(hui) 散射，很難精確地沉積能量。在《自然通訊》雜誌發表的一篇論文中，托克爾的團隊展示了他們(men) 可以通過使用一種稱為(wei) 貝塞爾光束的特殊激光來解決(jue) 這個(ge) 問題，這種激光不會(hui) 發生衍射。這意味著激光可以對抗光散射效應，在矽內(nei) 部保持狹窄的聚焦，從(cong) 而可以精確地沉積能量。

當激光照射到晶圓上時，會(hui) 在光束聚焦的區域產(chan) 生微小的孔洞，即空隙。Tokel說，以前的方法也出現過這種情況，但聚焦更緊密的光束產(chan) 生的較小空隙會(hui) 表現出“場增強”效應，導致激光強度在它們(men) 周圍增加。這會(hui) 改變空隙周圍的矽結構，從(cong) 而進一步增強增強效應，形成一個(ge) 自持反饋回路。該團隊還發現，他們(men) 可以通過改變激光的偏振來改變場增強的方向。

最終結果是在矽片中創建出最小 100 納米的二維平麵或線狀結構。這些結構的折射率與(yu) 晶圓的其餘(yu) 部分不同，但 Tokel 表示，目前還不完全清楚這些結構的組成。根據之前的研究，他認為(wei) 矽片的底層晶體(ti) 結構可能已被修改。他補充說，電子顯微鏡研究應該能夠在未來澄清這一點，但最終沒有必要了解這些結構的確切底層性質來創建有用的納米光子元件。

為(wei) 了證明這一點，研究人員製造了一種納米級光子器件，稱為(wei) 布拉格光柵，可用作光學濾波器。據該團隊稱，這是第一個(ge) 完全埋在矽中的功能性納米級光學元件。

德國耶拿大學研究員Maxime Chambonneau表示，研究人員能夠實現納米級特征非常了不起，因為(wei) Tokel 團隊使用的相對較長的激光脈衝(chong) 通常會(hui) 產(chan) 生較大的熱影響區，從(cong) 而導致微尺度變化。（Bilkent 團隊采用以納秒為(wei) 單位的脈衝(chong) ，而其他直接激光寫(xie) 入工作傳(chuan) 統上涉及皮秒或飛秒激光。）Chambonneau 表示，能夠創建小於(yu) 光波的特征可能會(hui) 帶來各種可能性，包括提高太陽能電池的能量收集能力。

由於(yu) 該製造技術不會(hui) 對晶圓表麵造成任何改變， Tokel表示，未來該技術可用於(yu) 製造多功能設備，電子元件位於(yu) 表麵，光子元件埋在下麵。該團隊還在研究該方法是否可用於(yu) 在芯片表麵下雕刻微流體(ti) 通道。托克爾表示，通過這些通道泵送流體(ti) 可以改善散熱，從(cong) 而有助於(yu) 冷卻電子設備並使其運行得更快。

Tokel表示，這種方法的最大限製在於(yu) 研究人員無法精確控製空洞在特定區域出現的位置。目前，一小部分空洞在激光束聚焦的區域中分布不均勻。托克爾表示，如果他們(men) 能夠更精確地定位這些空洞，他們(men) 就能在三維空間中進行納米加工，而不僅(jin) 僅(jin) 是簡單地生產(chan) 出線條或平麵。

“如果你能單獨控製這些東(dong) 西，並將它們(men) 像鏈條一樣分發，那麽(me) 未來這將非常令人興(xing) 奮，”他補充道。“因為(wei) 這樣你將擁有更多的控製權，這將使更豐(feng) 富的元素或係統成為(wei) 可能。”

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