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來自莫斯科物理科學與技術(shù)研究所（MIPT）的研究人員首次實驗證明，銅納米光子元件可以在光子器件中成功運行 - 以前認為只有金和銀元件可以這樣做。銅組件不僅與貴金屬組件一樣好;它們也可以使用行業(yè)標準制造工藝在集成電路中輕松實現(xiàn)。“這是一場革命 - 使用銅將解決納米光子學中的一個主要問題，”該論文的作者說。結(jié)果發(fā)表在納米快報的科學雜志上。

這一發(fā)現(xiàn)是光子學和未來計算機的革命性發(fā)明，是由MIPT納米光電子中心的納米光學和等離子體實驗室的研究人員制作的。他們首次成功地生產(chǎn)了銅納米光子元件，其特性與金元件一樣好。值得注意的是，科學家使用與當今用于生產(chǎn)現(xiàn)代集成電路的行業(yè)標準制造技術(shù)兼容的工藝制造銅部件。。這意味著在不久的將來，銅納米光子元件將成為開發(fā)節(jié)能光源，超靈敏傳感器以及具有數(shù)千個核心的高性能光電處理器的基礎(chǔ)。

這一發(fā)現(xiàn)是在納米光子學的基礎(chǔ)上進行的 - 納米光子學是研究的一個分支，其目的之一是利用光子代替電子用更現(xiàn)代的元件取代數(shù)據(jù)處理器件中的現(xiàn)有元件。然而，雖然晶體管的尺寸可以縮小到幾納米，但是光的衍射將光子元件的最小尺寸限制為大約光波長（~1微米）的尺寸。盡管這種所謂的衍射極限具有基本性質(zhì)人們可以通過使用金屬 - 電介質(zhì)結(jié)構(gòu)來創(chuàng)造真正的納米級光子元件來克服它。

首先，大多數(shù)金屬在光學頻率下顯示出負介電常數(shù)，并且光不能通過它們傳播，穿透到僅25納米的深度。其次，光可以轉(zhuǎn)換成表面等離子體激元，表面波沿著金屬表面?zhèn)鞑ァ＿@使得可以從傳統(tǒng)的3D光子學切換到2D表面等離子體光子學，其被稱為等離子體激元。這提供了以大約100納米的尺度控制光的可能性，即遠遠超出衍射極限。

以前認為只有兩種金屬 - 金和銀 - 可用于構(gòu)建有效的納米光子金屬 - 電介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)，并且還認為沒有其他金屬可以替代這兩種材料，因為它們表現(xiàn)出強吸收。然而，在實踐中，使用金和銀制造組件是不可能的，因為這些貴金屬都不會進入化學反應(yīng)，因此非常困難，昂貴且在許多情況下不可能用它們來制造納米結(jié)構(gòu) - 基礎(chǔ)現(xiàn)代光子學。

MIPT納米光學和等離子體實驗室的研究人員已經(jīng)找到了解決這個問題的方法。基于所謂的等離子體金屬理論的推廣，2012年，他們發(fā)現(xiàn)銅作為光學材料不僅可以與黃金競爭，它還可以是更好的替代品。與金不同，使用濕法或干法蝕刻可以容易地構(gòu)造銅。這提供了制造納米級元件的可能性，這些元件易于集成到硅光子或電子集成電路中。

研究人員花了兩年多的時間購買所需設(shè)備，開發(fā)制造工藝，生產(chǎn)樣品，進行多次獨立測量，并通過實驗證實這一假設(shè)。“結(jié)果是，研究負責人Dmitry Fedyanin表示，我們成功地制造了具有光學特性的銅芯片，這種芯片絕不遜色于金芯片。此外，我們設(shè)法在與CMOS技術(shù)兼容的制造工藝中實現(xiàn)了這一目標。所有現(xiàn)代集成電路的基礎(chǔ)，包括微處理器。這是納米光子學的一種革命“。

研究人員指出，薄多晶銅薄膜的光學特性取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。控制這種結(jié)構(gòu)并在技術(shù)周期中始終如一地重現(xiàn)所需參數(shù)的能力是最困難的任務(wù)。然而，他們已經(jīng)設(shè)法解決了這個問題，證明不僅可以用銅實現(xiàn)所需的性能，而且可以在納米級元件中完成，這可以與硅納米電子學和硅納米光子學集成。“我們對銅膜進行了橢圓偏光測量，然后使用納米結(jié)構(gòu)的近場掃描光學顯微鏡確認了這些結(jié)果。這證明了在制造納米級等離子體元件的整個過程中銅的性質(zhì)不會受損。

這些研究為銅納米光子和等離子體組件的實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，在不久的將來，這些組件將用于創(chuàng)建LED，納米激光器，用于移動設(shè)備的高靈敏度傳感器和傳感器，以及具有數(shù)萬個的高性能光電處理器用于圖形卡，個人計算機和超級計算機的核心。
（責任編輯：fqj）