Araştırmacılar Silisyum İçinde Benzeri Görülmemiş Bir Nano Yapılanma Elde Etti!

Silisyum, modern elektronik, güneş enerjisi ve ışık teknolojilerinin temel taşıdır. Ancak şimdiye kadar, mevcut teknikler nedeniyle silisyumun sadece yüzeyinde nanoyapılar oluşturulabiliyordu. Mevcut yöntemler ya silisyum yüzeyinin altına zarar vermeden inemiyordu ya da lazer teknolojisinin çözünürlüğü mikron seviyesinde sınırlı kalıyordu.

Bilkent Üniversitesi'nden bir ekip, mevcut sınırlamaları aşan yeni bir teknik geliştirdi. Bu teknik, silisyum yongaların derinliklerinde çok küçük yapıları kontrollü bir şekilde oluşturmaya olanak sağlıyor.^[1]

Bilkent Üniversitesi Fizik Bölümü ve Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi'nden Alperen Saltık, Mehmet Bütün, Onur Tokel Aqiq Ishraq ve Rana Asgari Sabet’ten oluşan ekibin uzmanlıkları optik, malzeme bilimi ve nanoteknoloji gibi çeşitli alanları kapsıyor.

Araştırma ekibi, silisyum içindeki karmaşık optik etkilerden ve lazer ışığının doğal sınırlamaların kaynaklanan iki büyük zorluğu aşmayı başardı. Bunu yapmak için, "uzaysal ışık modülasyonu" adı verilen bir yöntem ile özel bir lazer ışını kullandılar. Bu ışının kırınım oluşturmayan yapısı, daha önce hassas enerji aktarımını engelleyen optik saçılma etkilerinin üstesinden geliyor ve silikon içinde çok küçük, lokalize boşluklar oluşturuyor.

Bu süreci, önceden oluşturulan küçük boşlukların çevrelerinde güçlü bir alan artışı yaratan "tohumlama etkisi" takip ediyor. Bu sayede bu yeni üretim yöntemi, en son teknolojiye göre 10 kat daha iyi sonuç vererek 100 nanometre kadar küçük yapılar oluşturmayı başarıyor. Prof. Tokel, şöyle anlatıyor:

Yaklaşımımız, lazer darbesinin enerjisini yarı iletken malzeme içinde çok küçük bir hacimde toplamaya dayanıyor. Bu sayede, plazmonik alandakine benzer etkilerden yararlanabiliyoruz. Bu da dalga boyunun altında ve çok boyutlu bir kontrolü doğrudan malzeme içinde sağlıyor. Artık silisyum içine gömülü nanofotonik elemanlar, örneğin yüksek kırınım verimliliğine sahip nano ızgaralar ve hatta spektral kontrolü olan yapılar üretebiliyoruz.

Yani Tokel, bu yöntemle, silisyumun içine gözle görülmeyecek kadar küçük, özel yapılar yerleştirebildiklerini belirtiyor. Bu yapılar ışığı kontrol etmemize yardımcı oluyor. Örneğin, bu sayede ışığı belirli şekillerde yönlendirebilen çok küçük araçlar yapabiliyoruz.

Araştırmacıların ileri holografik projeksiyon teknikleriyle oluşturdukları bu özel lazer ışını, dağılmayan doğası sayesinde enerjinin hassas bir şekilde yoğunlaşmasını sağlıyor. Bu da malzemeyi küçük bir hacimde değiştirmeye yetecek kadar yüksek sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşılmasına imkan tanıyor.

Ortaya çıkan alan artışı, bir kez kurulduktan sonra kendini sürdürüyor. Basitçe söylemek gerekirse, önceki nano yapıların oluşturulması sonraki nano yapıların üretilmesine yardımcı oluyor. Lazer polarizasyonunun kullanılması, nano yapıların hizalanması ve simetrisi üzerinde ek kontrol sağlayarak çeşitli nano dizilerin yüksek hassasiyetle oluşturulmasına olanak tanıyor.

Ekip, lazer ışığı silisyuma vurduğunda ortaya çıkan özel bir etkileşimden faydalandı. Bu etkileşim, lazerin yönüne bağlı olarak farklı sonuçlar veriyor. İşte bu sebeple araştırmacılar, bu özelliği kullanarak silikon içinde çok küçük yapılar oluşturabildi. Lazerin yönünü değiştirerek, bu küçük yapıların şekli ve düzeni değişiyor. Bu sayede, istenilen düzende ve şekilde minik yapılar oluşturulabiliyor.

Araştırma ekibi, silisyumun içinde normalde mümkün olandan daha küçük yapılar oluşturmayı başardı. Bu durum, benzersiz mimarilere sahip nano ölçekli sistemlerin geliştirilmesi için önem arz ediyor. Tokel şunları söylüyor:

En önemli teknolojik malzemede ortaya çıkan bu tasarım özgürlüğünün, elektronik ve fotonikte heyecan verici uygulamalar getireceğine inanıyoruz. Kırınım sınırının ötesindeki özellikler ve çok boyutlu kontrol; gelecekte meta yüzeyler, meta malzemeler, fotonik kristaller, çeşitli bilgi işleme uygulamaları ve hatta 3 boyutlu entegre elektronik-fotonik sistemler gibi ilerlemelerin olabileceğini gösteriyor.

Prof. Tokel sözlerini şöyle tamamlıyor:

Bulgularımız silikon için yeni bir üretim paradigması sunuyor. Doğrudan silikon içinde nano ölçekte üretim yapabilme yeteneği, daha fazla entegrasyon ve gelişmiş fotonik için yeni bir sistem sağlıyor. Artık silikonun içinde tam olarak üç boyutlu nano üretimin mümkün olup olmadığını sormaya başlayabiliriz. Çalışmamız bu yöndeki ilk adım.