Hybrydyzacja urządzeń krzemowych z nanorurkami węglowymi
Krzem jest najczęściej wybieranym materiałem używanym w podzespołach fotonicznych, w tym tych do transmisji danych czy pomiarów. Dzięki temu obecnie dostępnych jest wiele urządzeń fotonicznych zdolnych do emitowania, przekazywania, modulowania i wykrywania światła za pośrednictwem krzemowego chipu. Jednak mimo postępów w tym zakresie, zintegrowanie wszystkich bloków funkcjonalnych w jeden obwód nadal pozostaje wyzwaniem. Najbardziej problematyczną kwestią jest konieczność scalenia różnych materiałów z krzemem. Technicznie jest to wykonalne, jednak koszty takiego procesu mocno ograniczają zakres zastosowań fotoniki krzemowej. Uczestnicy finansowanego ze środków UE projektu CARTOON zdecydowali się temu zaradzić, opracowując oparte na krzemie urządzenia hybrydowe używające nanorurek CNT w roli zintegrowanego źródła światła, modulatora i detektora w zakresie bliskiej podczerwieni. „Ostatecznie zdecydowaliśmy się na półprzewodnikowe jednościenne nanorurki węglowe (s-SWNT), ponieważ nie tylko są bardzo uniwersalne, ale również posiadają doskonałe właściwości elektroniczne i optyczne” – mówi koordynator projektu Laurent Vivien. Wg Viviena nanorurki s-SWNT mają wiele zalet. Charakteryzują się m.in. silną emisją w zakresie bliskiej podczerwieni w temperaturze pokojowej oraz doskonałą stabilnością fototermiczną. Odpowiednio dobrana średnica i chiralność nanorurki pozwala w łatwy sposób kontrolować emisję na falach o długości od 1m do 1,6m. Nanorurek można użyć do budowy diod czy tranzystorów polowych, co otwiera zupełnie nowe możliwości w zakresie pompowania elektrycznego detektorów luminescencyjnych i fotonowych. Ponadto, ich przejścia elektronowe (poprzez przewidziane efekty Starka i Kerra) można wykorzystać do uzyskania efektu modulacji. „Z tych powodów nanorurki CNT mogą okazać się niezwykle przydatne w rozwiązywaniu problemów z integracją w fotonice krzemowej, co pozwoli na opracowywanie tańszych i bardziej niezawodnych technologii fotonicznych” – twierdzi Vivien. Ogromny potencjał Przełomowe odkrycia, które umożliwiły dalszy rozwój fotoniki CNT nowej generacji, sprawiają, że potencjał projektu CARTOON jest naprawdę ogromny. Opracowano m.in. nowe strategie otrzymywania czystych, półprzewodnikowych nanorurek węglowych do zastosowań w fotonice. Przeprowadzono również pierwszą udaną demonstrację efektu ujemnego nieliniowego załamania w nanorurkach CNT zintegrowanych z falowodami z azotku krzemu oraz pierwszego trwałego, hybrydowego połączenia nanorurek CNT z krzemowymi urządzeniami fotonicznymi. Ponadto w ramach projektu opracowano hybrydową, w pełni zintegrowaną krzemową platformę fotoniczną dla nanomateriałów, zoptymalizowaną pod kątem nanorurek. „Podczas prac nad projektem stworzyliśmy nową, nieoczekiwaną koncepcję wykorzystania nanorurek węglowych w krzemowych urządzeniach fotonicznych” – mówi Vivien. „To bardzo obiecujący materiał, który możemy wykorzystać do rozwijania wszystkich istniejących urządzeń optoelektronicznych. Wierzymy, że nanorurki węglowe ułatwią integrację fotoniki i elektroniki. A ponieważ pojedyncze CNT są jednocześnie emiterami kwantowymi, nasza koncepcja może pomóc zastosować rozwiązania fotoniki krzemowej w zintegrowanej komunikacji kwantowej”. Możliwości rynkowe W 2015 roku jeden z uczestników projektu CARTOON założył firmę ProNT GmbH. Jej zadaniem jest komercjalizacja technologii bezpośredniej syntezy półprzewodnikowych nanorurek SWNT z użyciem rozwiązań opracowanych w ramach projektu CARTOON. Sukces tego przedsięwzięcia zapewni klientom z sektora przemysłowego dostęp do nanorurek s-SWNT do produkcji urządzeń elektronicznych i fotonicznych opartych na SWNT. Uczestnicy projektu CARTOON planują również wykorzystać swoje najnowsze odkrycia w dziedzinie urządzeń optoelektronicznych w nowym projekcie. Celem tego nowego badania będzie opracowanie opartych na CNT krzemowych obwodów fotonicznych, które będzie można zastosować w złączach światłowodowych i czujnikach nowej generacji oraz w informatyce kwantowej.
Słowa kluczowe
CARTOON, fotonika krzemowa, nanorurki węglowe, urządzenia fotoniczne, urządzenia elektroniczne