天游线路检测中心 操纵光的挑战：用电子束光刻设备描绘未来
采访 05
京都大学工学研究科野田进教授
光学芯片、半导体激光器创新、热辐射控制、高效太阳能电池光子晶体是一种吸引未来的新材料。从一开始就领导这项研究的京都大学野田进教授继续追求他的远大梦想。
梦想材料光子晶体
分割、弯曲、保持和增强光线。光子晶体是能够自由操纵光的新材料，有可能扩展电气和电子产品的可能性。光的传播速度比电子快许多倍，并且具有长距离几乎不会减弱的优点。因此，人们进行了各种尝试将其与电子设备集成。然而，虽然电子的流动可以用半导体自由控制，但光却没有相应的流动。光子晶体可以被称为“光的半导体”，它们使我们能够像使用电子一样使用光。例如，内部基板由光子晶体制成的光布线型计算机。传统电路板依靠电子在 CPU 和内存等组件之间传输信息。然而，电子的行进速度是有限的，而且它们还会产生热量，这已经成为阻碍计算机处理速度提高的因素之一。通过使用光子晶体作为基板，可以利用光在部件之间传输信息。此外，光子晶体现在已经能够将光长时间保持在一个点上，如果这些技术进一步发展，将有可能在当前计算机的大小上实现超级计算机的性能。光子晶体也有望成为一项将彻底改变半导体激光器的技术。半导体激光器在波长和时间轴上取得了显着的进步，但在功率轴上却落后于其他固体激光器和气体激光器，人们热切期待在这个功率轴上的进展。如果光子晶体激光器真正能够实现大面积相干操作，则有望在保持高光束质量的同时实现高输出操作，这将给半导体激光器领域带来一场新的革命。其应用范围已扩大到包括加工、汽车应用、传感应用，最终包括用于核聚变点火的激光器，据说其市场规模极其巨大。此外，光子晶体有望彻底改变热辐射。热辐射是通过加热物体而产生光（电磁波）的现象。这种现象自古以来就被用作灯和分析光源的基本原理。太阳也是一个热辐射体，发出从紫外线到红外线的极宽范围的光。一般来说，热辐射的缺点是其利用效率极低，因为它在所需波段以外的极宽波段内发射光。如果能够将物体发出的热辐射集中在所需的波长和线宽而不造成能量损失，并且能够以超高速动态控制热辐射，那么就有可能实现用于各种分析的高效、高速红外光源，并提高利用太阳光、地热等的热光伏发电的效率。
自由操纵光的结构
光具有波动性，波长的差异表现为可见光范围内颜色的差异。我们日常看到的阳光和荧光灯之所以呈现白色，是因为不同波长的光混合在一起。红柱看起来是这样的，因为它反射红光并吸收或透射其他光。这种差异是由物体的分子和表面的结构决定的。通过设计和创造这种精细结构，光子晶体可以自由控制反射（改变光的方向）和共振（增强光）。制作起来出奇的简单。与半导体一样，使用的材料主要是硅晶片（或III-V族半导体晶片等），使用电子束定期在其中钻孔。然后空气进入孔中，形成无数重复图案，其与半导体部分之间的折射率不同，并且在边界处发生反射。当在每个边界处反射的光相互增强时，会发生一种称为布拉格反射的现象，该现象会阻止光穿过，从而形成光学绝缘体。更重要的是一种称为“人工缺陷”的结构。如果您在规则绘制的孔图案中到处创建不同大小和形状的孔，或者没有孔的区域，则将允许光仅存在于这些区域中，从而允许光通过这些区域传输和存储。由于这些“缺陷”充当光的路径，因此可以根据缺陷的排列方式自由确定光传播的方式（图1是在3D光子晶体中形成的3D光路的示例）。此外，如果我们创造一个非常小的缺陷（包括缺陷尺寸的微小变化），光就会集中在那里，并且只有与孔的尺寸相对应的波长的光才会被增强。这成为光路中存储光的存储器，以及产生超小型激光器的结构（图2是二维光子晶体中形成的光波导和纳米腔的电子显微照片）。然而，孔的直径约为200纳米。生产精度要求小于纳米，甚至比病毒的尺寸还小。为了提供必要的功能，孔的位置必须控制在亚纳米级别，并且制造需要复杂的机械。
图1
三维光子晶体中的光路示意图
图2
规则绘制的微观“孔”和其中引入的“人造缺陷”的二维图案。可以将光长时间限制在标有“纳米谐振器”的部分（虚线包围的部分，其中孔间距比周围区域宽10 nm）。标记为“波导”的部分（其垂直宽度被设计为比纳米谐振器部分的垂直宽度更宽）具有将光从外部引导到纳米谐振器的作用。注意，为了将孔的直径和间距控制在纳米级，需要使用电子束绘图装置进行精确绘图。
光子晶体实际应用背后的人
目前，最新的JEOL电子束光刻系统正在实验室运行。它描绘了通往可以自由操纵光的未来的道路
京都大学野田进教授自 20 世纪 80 年代初以来一直致力于光子晶体的开发。研究生毕业后，年轻的野田教授加入三菱电机中央研究实验室，继续研究激光器。当他的研究完成后，他开始寻找下一代光学材料，并专注于光子晶体。大约在这个时候，他接到了以前的大学老师的电话，回到京都大学寻找从事基础研究的地方。``当时我们正处于泡沫经济时期，企业的研究环境要好得多。大学很幸运，每年有数百万日元的研究费用，一些实验室还使用空的 1 杯清酒容器作为烧杯。''他说他有一个关于光子晶体的梦想，这让他即使在如此困难的情况下也想继续他的研究。“当我们刚开始研究时，有很多人怀疑其可行性，认为光子晶体只是一个白日梦。但是，我们相信，如果我们能让它们成为现实，它们将成为未来的关键器件。”除了资金之外，纳米加工技术本身还不成熟。长期以来，研究都无法超越理论领域。光子晶体的研究开始迅速推进，这很大程度上归功于电子束光刻设备的发展。这就是所谓的“纳米打印机”，它将通过 CAD 等创建的设计数据绘制到纳米尺寸的材料上。发射电子束的电子枪用于绘图。该技术长期以来被用作电子显微镜中的电子发射源，而在电子显微镜方面拥有长期技术积累的JEOL于1967年进入市场。根据研究人员的反馈，性能逐步得到改善。“JEOL 的绘图设备准确掌握位置并进行高精度绘图。我们能够加快研究速度的原因是设备性能的提高。”
瞄准未来的标准设备
十多年来，野田教授一直致力于稳定的基础研究，却因2000年发表的一篇论文而突然受到关注。该论文论证了光子晶体的可行性，所呈现的结果足以让许多研究人员惊叹不已。目前，世界各地正在研究其应用，并开始出现各种成果。最有望投入实际应用的就是开头提到的大面积相干半导体激光器。目前，我们已经成功用单芯片实现了瓦级的高光束质量和高功率运行。如果10W成为现实，预计世界将会改变。此外，它在作为可再生能源形式的热门话题的太阳能电池中的应用也非常有趣。目前的太阳能电池主要只吸收一部分可见光并将其转化为电能，因此大部分其他光无法有效利用。如前所述，解决这个问题背后的想法是利用光子晶体来控制热辐射，使其能够设计成发射太阳能电池最有效吸收的波段内的光。如果太阳能电池能够吸收太阳光中包含的大部分光，就可以提高发电效率。许多人推荐野田教授赢得下一届诺贝尔奖，因为他为这些新技术开辟了可能性。“光子晶体的实际应用才刚刚开始。我的使命是坚定地培育即将进入世界的花蕾。”
野田进
京都大学研究生院工学研究科教授
京都大学大学院工学研究科硕士课程结束后，加入三菱电机株式会社。 1988年，就任京都大学工学部助教。 1992年任助理教授，2000年任现职。同年，因“半导体光子晶体及其应用的研究”获得第14届IBM日本科学奖。此后，他获得了无数奖项，包括2009年文部科学大臣颁发的2009年科学技术表彰奖、同年第6届江崎丽奈奖、2014年紫绶奖章、2015年日本应用物理学会成就奖。
发布时间：2016 年 1 月