מדידה ישירה של טמפרטורה בהתקנים פלסמונים

מדידה ישירה של טמפרטורה בהתקנים פלסמונים

עבודת מחקר של בוריס דסיאטוב – דוקטורנט בפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, בהנחיית פרופ. אוריאל לוי

מטרת המחקר היא ללמוד ולחקור יצירה מבוקרת של מקורות חום בסקלה ננומטרית בהתקנים מתכתיים ע”י שימוש באנרגיה אופטית.
בוריס מספר מדוע בחר לעבוד עם תוכנת ®COMSOL Multiphysics בעת הכנת עבודת המחקר שלו, וכיצד התוכנה תרמה לו והייתה לו לעזר רב:

“מצאתי כי השילוב של תוכנת ®COMSOL ביחד עם תוכנת MATLAB מאפשרת ביצוע אופטימיזציה ,עבודה איטרטיבית וביצוע התאמה בזמן אמת בין תוצאות המדידה שמתקבלות בניסוי למודל התיאורטי”.

“לתוכנה יש מאגר פנימי גדול של חומרים עם ניתוחים פיזיקליים מובנים (צפיפות החומר, מקדם שבירה אופטי, מקדם התפשטות החום וכן הלאה)”

“לתוכנת ®COMSOL יש יכולת שילוב בין מודלים פיזיקלים שונים באותה סימולציה. (למעשה בלי היכולת הזאת לא יכולתי לבצע את המחקר הנ”ל). אני לא מכיר תוכנה אחרת שמאפשרת לשלב מודלים שונים ולקבל פתרון לבעיה המשולבת”.

מהלך המחקר

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).
הצטרפו לפייסבוק של נומריקל
אחת השיטות להקטנת הממדים של ההתקנים האופטיים היא שימוש בגלי שטח שנקראים פלסמונים. פלסמונים-פולריטונים משטחיים הם גלים משטחיים המוגבלים לתנועה על הגבול שבין חומר מתכתי וחומר מבודד וניתנים לעירור ע”י קרינה אלקטרומגנטית בעלת קיטוב ניצב לשדה מגנטי. לגלים אלו יש אורך גל קצר יותר מאשר לגלים הנעים בריק וכן תכונות מעניינות נוספות שהובילו להשקעה מחקרית עצומה בתחום זה בעשור האחרון. השימוש בפלסמוני שטח ליישומים של מיקוד הקרינה במבנים ננו-מתכתיים הודגם במספר צורות ע”י עדשה פלסמונית, חרוטים ומחטים מתכתיים.
עם כל היתרונות של הפלסמונים יש גם חיסרון אחד גדול – העיבודים. כאשר אור מבצע אינטראקציה עם המתכת הוא נבלע במתכת וכתוצאה מקבלים הפסדים אוהמים. הפסדים אלה גורמים לחימום מקומי של המתכת ויכולים לשנות את ההתנהגות של ההתקן. החימום הנ”ל מתרחש בסקלה ננומטרית ויכול להיות מאוד שימושי בתהליכים שדורשים חימום מקומי. למשל חברה סיגייט (SEAGATE) פיתחה לאחרונה דיסק קשיח למחשב בעל נפח אחסון מוגדל ע”י שימוש במחממים מקומיים (Heat-assisted magnetic recording).
בפרויקט המחקר שלנו ביצענו חקר נומרי (בעזרת סימולציות מולטיפיזיקליות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics) של התקן פלסמוני ליצירת מקורות חום קטנים על שבב סיליקון. המחקר כלל סימולציות אופטיות למציאת פרמטרים אופטימליים של צימוד והולכה של אנרגיה אופטית בתוך התקן (RF Module). לאחר מכן בוצע חקר של היווצרות והולכה של חום בהתקן (Heat Transfer Module). בנוסף בנינו את ההתקן ומדדנו בצורה ישירה את הטמפרטורה של ההתקן בעזרת שיטה של מדידת טמפרטורה בשדה קרוב. התקבלה התאמה טובה מאוד בין התוצאות של הסימולציות ב- ®COMSOL לתוצאות המדודות.
ההתקן בנוי ממוליך גל מסיליקון בעל חתך 0.25X1 מיקרומטר על מצע זכוכית שמוצמד לטיפ העשוי גם מסיליקון המוקף במתכת (זהב) – ראה איור 1. אנרגיה אופטית באורך גל של 1.55 מיקרון מוצמדת מלייזר חיצוני אל תוך מוליך הגל, מתקדמת בתוך ההתקן אל עבר הקצה של הטיפ ו”נדחסת” (מתרכזת) ע”י המתכת לנק’ מאוד קטנה (50 ננומטר). כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה האופטית הופכת לחום בתוך המתכת ונוצר מקור חום בעל שטח חתך מאוד קטן.

לצורך ביצוע סימולציה מולטיפיזיקלית השתמשנו בשני מודלים פיזיקליים עם תנאי שפה והתחלה שמתאימים לכל מודל בנפרד. מודל ראשון – התקדמות גלים אלקטרומגנטיים בתווך (RF Module) . במודל זה כל חומר במרחב מתואר ע”י מקדם השבירה היחסי שלו ומקור האנרגיה מוגדר בתור INPUT PORT. במקרה שלנו אור באורך גל אינפרה אדום הוכנס למוליך גל מסיליקון בעל “שפיץ” שמוקף בזהב. לאחר ביצוע הסימולציה מצאנו התפלגות אנרגיה אלקטרומגנטית בתוך ההתקן ולמדנו על השפעת פרמטרים גיאומטריים שונים על יכולת פיקוס של אנרגיה אופטית בקצה של השפיץ.
באיור 2א. מוצגת תוצאת סימולציה אלקטרו-אופטית בהצגה תלת ממדית. ניתן לראות בבירור את הפיקוס של הקרינה האופטית בקצה של הטיפ. התגברות האנרגיה אופטית בקצה של הטיפ שהתקבלה בסימולציה הינה פי 50. לאחר חישוב של שדה אלקטרומגנטי חישבנו את היווצרות החום במערכת כתוצאה מבליעה במתכת. באיור 2ב. מוצגת תוצאת החישוב של היווצרות החום במערכת. גודל של מקור חום אשר נוצר במערכת הינו מסדר גודל של עשרות ננומטרים.

בשלב שני של המחקר חקרנו דינמיקה של התפשטות החום שנוצר במערכת. לצורך כך השתמשנו בתוצאות של סימולציה אלקטרו-אופטית כתנאי התחלה (Heat Transfer Module) . לצורך כך הגדרנו את התכונות התרמיות של כל חומר במרחב ועבור תנאי התחלה (בזמן אפס) לקחנו את פילוג החום שמצאנו קודם. בתור תנאי שפה רחוק מההתקן הגדרנו שהטמפרטורה תגיע לטמפ’ החדר. ע”י פתרון של משאוות החום (בעזרת ®COMSOL) מצאנו את התפשטות החום במערכת בתנאי של מצב עמיד. תוצאות הסימולציה הראו שבהכנסת 10mW של אנרגיה אופטית למוליך גל ניתן להגיע להפרש בטמפ’ (בין הדגם והסביבה) של כ- 15 מעלות. באיור 3 מוצגת תוצאת סימולציה של התפשטות החום בהתקן בהצגה דו-ממדית.

לאחר חקירה נומרית שנעשתה בעזרת ®COMSOL ומציאת פרמטרים אופטימליים, בנינו את ההתקן בעזרת כלים שונים של פבריקציה ננומטרית, ומדדנו את התפשטות החום בהתקן בעזרת מיקרוסקופ תרמי סורק (Scanning Thermal Microscopy) – איור 4. התקבלה התאמה טובה מאוד, גם איכותית וגם כמותית, בין תוצאות המדידה לתוצאות הסימולציה ב- ®COMSOL.