הקבוצה של פרופ 'צ'יו מין באוניברסיטת ווסטלייק פיתחה בהצלחה סוג חדש של סופרלנס סיליקון סיליקון הומוגני (4H-SIC), המספק פיתרון חדש לגמרי לבעיית הסחף התרמי בעיבוד לייזר בעל עוצמה גבוהה.
בהשוואה לעדשות אובייקטיביות מסחריות קונבנציונאליות, הסופרלנס לא רק מסוגלים להשיג מיקוד מוגבל של דיפרקציה, אלא גם שומר על ביצועים יציבים תחת הקרנת לייזר ממושכת בעלת עוצמה גבוהה, אשר כמעט ולא מושפעת על ידי ספיגה תרמית.
חומרי 4H-SIC משכו תשומת לב לתכונותיהם המצוינות: העברה גבוהה ומדד שבירה לאופטיקה, מוליכות תרמית גבוהה לניהול תרמי, ועמידות קשיות גבוהה ועמידות בפני תכונות מכניות. מאפיינים אלה הופכים אותו לחומר אידיאלי לאופטיקה בעלת ביצועים גבוהים ומכשירי חשמל גבוהים.
הסופרלנס החדש מנצל את המוליכות התרמית הגבוהה ומאפייני אובדן נמוך של חומר 4H-SIC כדי לדכא ביעילות את אפקט הסחף התרמי ולהיפטר מההסתמכות על מערכות קירור מורכבות.
פריצת דרך טכנולוגית זו לא רק מספקת תמיכה מרכזית למערכות לייזר בעלות עוצמה גבוהה, אלא גם מביאה אפשרויות חדשות לייצור מכשירים מדויקים, חקר קוטב, חלל ותחומים רבים אחרים. במיוחד בתחום הדרישות הגבוהות במיוחד לדיוק עיבוד ואיכות פני השטח, Superlens 4H-SIC יכול למלא תפקיד חשוב במתן פתרונות יעילים וקומפקטיים יותר ליישומי לייזר בעלי עוצמה גבוהה.
1. רעיון חדש לפתור את בעיית הסחף התרמי של לייזרים בעלי עוצמה גבוהה
במפגש מקרי, החוקרים הבחינו בבעיה קוצנית שנמצאת בדרך כלל בייצור ארגוני: במהלך הפעולה הרציפה של חיתוך דיוק לייזר בעל עוצמה גבוהה בקו הייצור, העדשה האובייקטיבית תשפיע בסופו של דבר על אלמנטים אופטיים פנימיים בגלל ההצטברות התרמית הרציפה, אשר תשפיע בסופו של דבר על צורת העיבוד ועל עקביות.
הסיבה לכך היא שכאשר תאורת לייזר בעוצמה גבוהה מכה במכשיר אופטי, החומר סופג חלק מאנרגיית האור וממיר אותו לחום. לחומרים כמו תחמוצת סיליקון (קוורץ) וסידן פלואוריד (פלואוריט), בעלי מוליכות תרמית נמוכה, קשה לנהל את החום ביעילות ובאופן מתוזמן, וכתוצאה מכך התחממות יתר מקומית של המכשיר.
כדי לפתור בעיה זו, הקבוצה הכינה חומר 4H-SIC שקוף כסופרלנס מיוחד. המכשיר דק יותר ממטבע של דולר אחד, והמשטח שלו מכוסה במאות מיליוני ננו-פילרים בקוטר של ננומטרים בערך {3}} ועומק של כ -1 מיקרון.
"הודות למדד השבירה הגבוה של חומר הסיליקון קרביד, הצלחנו לתפעל את שלב האור על ידי הגל על ידי כוונון גודל הננו -פילרים כדי להשיג פונקציית מיקוד הדומה לזו של עדשות מסחריות. בשילוב המוליכות התרמית המצוינת של החומר עצמו, ביצועי התפזורות טובים יותר היא ממומשת במכשיר דליל ומכשיר קל יותר." חן בוטאו מתאר.
איור 丨 4H-SIC Superlens (משמאל) ואפיון SEM (מימין) (מקור: Botao Chen)
2. אימות ניסיוני של יציבות תרמית מעולה
בניסוי, החוקרים הדמו תרחיש תעשייתי בחיים האמיתיים בכך שהקרינו עדשת מטרה מיקרוסקופית מיטוטו (עדשת המטרה המסחרית המובילה בתעשייה) ואת הסופרלנס 4H-SIC שפותחו על ידי הצוות עם לייזר בעל כוח גבוה בו זמנית.
התוצאות מראות כי תחת 15- וואט, 1030- הקרנת לייזר פועמת של ננומטר למשך שעה, הטמפרטורה של הסופרלנס 4H-SIC עלתה רק ב -3.2 מעלות, ושינוי המיקוד היה רק עשירית מהעדשה האובייקטיבית המקובלת.
שיטת פיזור החום המסורתית היא בדרך כלל להתקין טבעת קירור מים מחוץ לעדשה האובייקטיבית כדי להסיר את החום שנספג על ידי המכשיר על ידי הסתום מי הקירור. לא רק שפתרון זה מורכב ויקר, הוא גם מגדיל משמעותית את צריכת האנרגיה ופליטת הפחמן, ודורש מערכות נוספות כדי לשמור על מכשיר קירור המים.
לעומת זאת, הפיתרון המוצע של הצוות מבטל את הצורך ברכיבי פיזור חום על ידי פשוט הרכבה של הסופרלנס על מסגרת מראה וניצול העברת חום יעילה ביותר במצב מוצק לייצוא החום במהירות. זה לא רק מאפשר פעולה רציפה ויציבה, אלא גם מפשט מאוד את דרישות השימוש והתחזוקה.
איור 丨 תרשים סכמטי של אפקט הסחף התרמי של הסופרלנס 4H-SIC (משמאל) והעדשה האובייקטיבית המקובלת (מימין)
3. התגברות על אתגרי עיבוד והתקדמות לייצור המוני
כחומר קשיחות גבוהה עם קשיות MOHS שנייה רק ליהלום, סיליקון קרביד קשה מאוד לעיבוד. למרות שהוא שימש בשבבים בעלי עוצמה גבוהה לרכבי אנרגיה חדשים, טרנזיסטורים דו-ממדיים שונים באופן משמעותי ממכשירים מיקרו וננו-אופטיים עם מבנים תלת מימדיים.
"עלינו לעבד מאות מיליוני עמודים קטנים בגודל של מאה ננומטר באזור בגודל של חצי מטבע. לא רק שהננו-פילרים האלה צריכים להיות דקים ועמוקים עם צורה עקבית, אלא שדיוק היישור נדרש להיות גבוה במיוחד, מה שמוסיף לקושי בעיבוד." אמר חן בוטאו.
צילום 丨 Qiu Min Photo
ראוי להזכיר כי הצוות אימץ תהליך עיבוד מיקרו-ננו התואם לייצור המוני. קבוצת צ'יו מין של יותר מעשרים שנות הצטברות טכנית של צ'יו מין בתחום מיקרו-ננו אופטו-אלקטרוניקה הניחה בסיס איתן למחקר זה.
בתהליך בחינת תהליך העיבוד, החוקרים שקלו באופן מלא את יישום תוצאות המחקר המדעיות וביקוש השוק, ולכן משרעת המכשיר חייבת להיות גדולה מספיק כדי לממש את החלפה המלאה של עדשות אובייקטיביות מסורתיות. בהתבסס על הצטברות הטכנולוגיה הקודמת, הם שיפרו את תהליך העיבוד הזה ושחררו מוצרים למשקפי מציאות מוגדלים.
נכון לעכשיו, החוקרים ייצרו מגוון של סופרלנסים סיליקון קרביד לצרכים שונים, ופיתחו תוכנית מפורטת המוקדשת לכיוון של עלות נמוכה ותשואה גבוהה. על פי הדו"ח, תהליך ייחודי זה הוחל על כמה מפעלים שיתופיים. בנוסף, הצוות עובד גם עם כמה מוסדות לקידום המשך הפיתוח של טכנולוגיה זו.
