物理学家将在纳米光子学领域里进行铜革命

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来自莫斯科物理科学与技术研究所（MIPT）的研究人员首次实验证明，铜纳米光子元件可以在光子器件中成功运行 - 以前认为只有金和银元件可以这样做。铜组件不仅与贵金属组件一样好;它们也可以使用行业标准制造工艺在集成电路中轻松实现。“这是一场革命 - 使用铜将解决纳米光子学中的一个主要问题，”该论文的作者说。结果发表在纳米快报的科学杂志上。

这一发现是光子学和未来计算机的革命性发明，是由MIPT纳米光电子中心的纳米光学和等离子体实验室的研究人员制作的。他们首次成功地生产了铜纳米光子元件，其特性与金元件一样好。值得注意的是，科学家使用与当今用于生产现代集成电路的行业标准制造技术兼容的工艺制造铜部件。。这意味着在不久的将来，铜纳米光子元件将成为开发节能光源，超灵敏传感器以及具有数千个核心的高性能光电处理器的基础。

这一发现是在纳米光子学的基础上进行的 - 纳米光子学是研究的一个分支，其目的之一是利用光子代替电子用更现代的元件取代数据处理器件中的现有元件。然而，虽然晶体管的尺寸可以缩小到几纳米，但是光的衍射将光子元件的最小尺寸限制为大约光波长（~1微米）的尺寸。尽管这种所谓的衍射极限具有基本性质人们可以通过使用金属 - 电介质结构来创造真正的纳米级光子元件来克服它。

首先，大多数金属在光学频率下显示出负介电常数，并且光不能通过它们传播，穿透到仅25纳米的深度。其次，光可以转换成表面等离子体激元，表面波沿着金属表面传播。这使得可以从传统的3D光子学切换到2D表面等离子体光子学，其被称为等离子体激元。这提供了以大约100纳米的尺度控制光的可能性，即远远超出衍射极限。

以前认为只有两种金属 - 金和银 - 可用于构建有效的纳米光子金属 - 电介质纳米结构，并且还认为没有其他金属可以替代这两种材料，因为它们表现出强吸收。然而，在实践中，使用金和银制造组件是不可能的，因为这些贵金属都不会进入化学反应，因此非常困难，昂贵且在许多情况下不可能用它们来制造纳米结构 - 基础现代光子学。

MIPT纳米光学和等离子体实验室的研究人员已经找到了解决这个问题的方法。基于所谓的等离子体金属理论的推广，2012年，他们发现铜作为光学材料不仅可以与黄金竞争，它还可以是更好的替代品。与金不同，使用湿法或干法蚀刻可以容易地构造铜。这提供了制造纳米级元件的可能性，这些元件易于集成到硅光子或电子集成电路中。

研究人员花了两年多的时间购买所需设备，开发制造工艺，生产样品，进行多次独立测量，并通过实验证实这一假设。“结果是，研究负责人Dmitry Fedyanin表示，我们成功地制造了具有光学特性的铜芯片，这种芯片绝不逊色于金芯片。此外，我们设法在与CMOS技术兼容的制造工艺中实现了这一目标。所有现代集成电路的基础，包括微处理器。这是纳米光子学的一种革命“。

研究人员指出，薄多晶铜薄膜的光学特性取决于其内部结构。控制这种结构并在技术周期中始终如一地重现所需参数的能力是最困难的任务。然而，他们已经设法解决了这个问题，证明不仅可以用铜实现所需的性能，而且可以在纳米级元件中完成，这可以与硅纳米电子学和硅纳米光子学集成。“我们对铜膜进行了椭圆偏光测量，然后使用纳米结构的近场扫描光学显微镜确认了这些结果。这证明了在制造纳米级等离子体元件的整个过程中铜的性质不会受损。

这些研究为铜纳米光子和等离子体组件的实际应用奠定了基础，在不久的将来，这些组件将用于创建LED，纳米激光器，用于移动设备的高灵敏度传感器和传感器，以及具有数万个的高性能光电处理器用于图形卡，个人计算机和超级计算机的核心。
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