การพัฒนาเทคโนโลยีโฟโตนิกส์เพื่อเร่งการประยุกต์ใช้เพชรเทียม

ความก้าวหน้าในการผลิตเพชรสังเคราะห์ทำให้เทคโนโลยีโทนิคส์ใหม่เป็นไปได้ แต่ความท้าทายมากมายยังคงอยู่สำหรับเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้ในการให้บริการแอปพลิเคชันควอนตัม
ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ขับเคลื่อนโดยแนวโน้มเทคโนโลยีที่สำคัญและความต้องการของตลาด เทคโนโลยีโฟโตนิกส์เชิงพาณิชย์ที่เกิดขึ้นใหม่จำนวนมากที่ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติพิเศษทางกายภาพของเพชรได้เห็นความก้าวหน้าที่สำคัญ นวัตกรรมในการสังเคราะห์เพชรคุณภาพเชิงแสงโดยการสะสมไอเคมี (CVD) วิศวกรรมศูนย์สีเพชร และเทคโนโลยีสำหรับการผลิตชิ้นส่วนออปติกเพชรและโครงสร้างโทนิคทำให้ความก้าวหน้าเหล่านี้เป็นไปได้
การประยุกต์ใช้โฟโตนิกส์ตามคุณสมบัติภายในที่ยอดเยี่ยมของเพชร
High purity diamond exhibits transparency in the frequency range from ultraviolet to terahertz and beyond. It has the highest room temperature thermal conductivity of any bulk material (>5 เท่าของทองแดง) ในขณะที่มีค่าสัมประสิทธิ์ทางความร้อนต่ำ คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ไดมอนด์ออปติคเหมาะสำหรับการใช้งานเลเซอร์อุตสาหกรรมกำลังสูง รวมถึงการตัดเฉือน การเชื่อม และการผลิตสารเติมแต่ง ซึ่งใช้ได้กับส่วนต่าง ๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า
นอกจากนี้ เพชรยังเป็นสสารที่แข็งที่สุดในโลก ซึ่งแข็งและทนทานมาก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานด้านการป้องกันและรักษาความปลอดภัยที่ต้องใช้ส่วนประกอบออปติกและอินฟราเรดที่ทนทาน และความสามารถในการทำงานในสภาพแวดล้อมที่ท้าทายมาก
เพชร CVD คุณภาพออปติกมีให้เลือกทั้งแบบผลึกเดี่ยวและแบบหลายผลึก ข้อดีของเพชรโพลีคริสตัลไลน์คือสามารถใช้กับอุปกรณ์พื้นที่ขนาดใหญ่ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 135 มม. ตัวอย่างเช่น สามารถใช้เป็นหน้าต่างสำหรับเลเซอร์ CO2 กำลังสูง 10.6 μm สำหรับระบบการพิมพ์หินรังสีอัลตราไวโอเลตสูง (EUV) สำหรับโหนดการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงสุด
เทคโนโลยีนี้ซึ่งขับเคลื่อนโดยปฏิบัติตามกฎของมัวร์ ต้องอาศัยการสังเคราะห์และการประมวลผลกระจกเพชรอย่างมากเพื่อให้ได้มาตรฐานคุณภาพออปติกที่เข้มงวด เนื่องจากไม่มีวัสดุออพติคัลอื่นใดที่สามารถทำงานได้ภายใต้สภาวะเลเซอร์ที่รุนแรงที่จำเป็น
การสูญเสียแบบกระเจิงในเพชร CVD แบบโพลีคริสตัลไลน์ที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าประมาณ 1.5 μm หมายความว่าการใช้งานส่วนใหญ่ในช่วงนั้นได้รับการแก้ไขโดยใช้เพชรแบบผลึกเดี่ยว เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาดของซับสเตรตเพชรที่มีอยู่ในปัจจุบัน โดยทั่วไป องค์ประกอบของเพชรผลึกเดี่ยวจะมีความยาวประมาณ 5-10 มม. และแม้ว่าผู้ผลิตบางรายกำลังพัฒนาเพชรผลึกเดี่ยวในพื้นที่ขนาดใหญ่บนซับสเตรตที่ไม่ใช่เพชร แต่วัสดุนี้ไม่สามารถ ใช้สำหรับการใช้งานออปติกทั้งหมดเนื่องจากความเครียดภายในค่อนข้างสูง
แม้จะมีข้อจำกัดด้านขนาด แต่เทคนิคโฟโตนิกส์เพชร CVD ผลึกเดี่ยวบางส่วนได้รับการพัฒนา เช่น เลเซอร์เพชรรามานที่ใช้คริสตัลที่ดูดซับแสงน้อยและมีการหักเหของแสงน้อยที่เป็นเอกลักษณ์ของ Element Six
เลเซอร์แบบไม่เชิงเส้นเหล่านี้ใช้ประโยชน์จากปรากฏการณ์การกระเจิงของรามานที่ตื่นเต้นเพื่อเปลี่ยนลำแสงของปั๊มเป็นลำแสงเอาท์พุตแบบสโตกส์ ซึ่งขยายช่วงของแหล่งเลเซอร์ที่มีอยู่สำหรับการใช้งานใหม่ที่ครอบคลุม UV เป็น IR รวมถึง: การเชื่อมวัสดุ การพิมพ์ 3 มิติ พลังงานโดยตรง , LIDAR, การสำรวจระยะไกล และ Laser Guided Stars (LGS)
Diamond มีค่าสัมประสิทธิ์อัตราขยายของรามันสูงที่สุดค่าหนึ่ง ซึ่งเมื่อรวมกับค่าการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยมแล้ว ทำให้มันเป็นสื่ออัตราขยายที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสาธิตการปรับกำลังไฟและการปรับปรุงความสว่าง รวมถึงในบริเวณสเปกตรัมที่ "ปลอดภัยต่อสายตามนุษย์" ที่ 1{{1} }.8 มม. ในช่วงนี้ ทางเลือกของแหล่งเลเซอร์ที่มีอยู่ก่อนหน้านี้ถูกจำกัด
การขยายการใช้งานของ Diamond ผ่านวิศวกรรม Color Core
แม้ว่าเพชรจะมีคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม แต่ก็ยังมีข้อบกพร่อง (จุดศูนย์กลางสี) ที่แตกต่างกันหลายร้อยแบบ บางส่วนมีความสำคัญสำหรับการใช้งานด้านเทคนิคที่ใช้ประโยชน์จากสถานะควอนตัมของแสงและคุณสมบัติการหมุนของอิเล็กตรอนของศูนย์สี รวมถึงการสื่อสารด้วยควอนตัม การคำนวณด้วยควอนตัม และแอปพลิเคชันการตรวจจับต่างๆ
สิ่งที่ควรทราบเป็นพิเศษคือศูนย์สีไนโตรเจน (NV) ซึ่งเป็นข้อบกพร่องของจุดเรืองแสงในเพชรที่ได้รับการวิจัยอย่างเข้มข้นเนื่องจากความสามารถในการควบคุมสถานะควอนตัมได้อย่างง่ายดายโดยการใช้แสงและสนาม RF ที่อุณหภูมิห้อง
ขึ้นอยู่กับขั้นตอนการสมัครขั้นสุดท้าย เราสามารถสร้างศูนย์สี NV ได้สองวิธี หนึ่งคือการควบคุมการเติมไนโตรเจนในระหว่างกระบวนการเติบโตของ CVD เพื่อให้อะตอมของไนโตรเจนกระจายไปทั่ววัสดุที่ความเข้มข้นที่ต้องการ ในทางกลับกัน จำเป็นต้องมีการควบคุมเชิงพื้นที่อย่างแม่นยำของศูนย์สีแต่ละแห่ง โดยใช้การฉีดไนโตรเจน จากนั้นช่องว่างของตาข่ายจะถูกสร้างขึ้นโดยการฉายรังสีอิเล็กตรอนพลังงานสูง และคริสตัลจะถูกอบอ่อนที่อุณหภูมิสูงเพื่อระดมช่องว่างให้จับกับอะตอมไนโตรเจนในคริสตัล ส่งผลให้เกิดศูนย์สี NV วิธีการที่คล้ายกันสามารถใช้เพื่อสร้างศูนย์สีแบบกำหนดเองอื่นๆ เช่น ศูนย์ว่างซิลิคอน (SiV) หรือศูนย์ว่างเจอร์เมเนียม (GeV)
สำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม จำเป็นต้องมีอาร์เรย์ของศูนย์สี - ทั้งคู่เพื่อควบคุมคุณสมบัติควอนตัมของพวกมันและเพื่อรวมศูนย์แต่ละแห่งเข้าด้วยกันอย่างมีประสิทธิภาพผ่านโพรงโทนิค เนื่องจากความเฉื่อยทางเคมีของเพชรและการขาดตลาดที่แพร่หลาย จึงยังคงต้องใช้ความพยายามและเงินทุนจำนวนมากในการพัฒนาเทคนิคการผลิตนาโนที่จำเป็นสำหรับโครงสร้างดังกล่าว อย่างไรก็ตาม ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยมีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านนี้ รวมถึงการสร้างโครงสร้างนาโนที่ซับซ้อนในรูปแบบของท่อนำคลื่น คอลัมน์ โพรง และดิสก์ โดยใช้เทคนิคโฟโตลิโทกราฟีแบบต่างๆ และใช้พลาสมาและลำแสงไอออนปฏิกิริยาสำหรับการแกะสลัก .
ความท้าทายในอนาคตสำหรับการบรรลุโฟโตนิกส์ควอนตัมเพชร
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยมีความก้าวหน้าอย่างมากในการผลิตเพชรที่มีคุณภาพออปติคัลสูงและศูนย์สีคุณภาพสูง และได้เปิดใช้งานเทคนิคโฟโตนิกส์ขั้นสูงทั้งใหม่และที่มีอยู่มากมาย
อย่างไรก็ตาม ยังมีความท้าทายอีกหลายประการก่อนที่การประยุกต์ใช้เพชรในโฟโตนิกส์ควอนตัมจะสามารถนำมาใช้เป็นชิปที่ปรับขนาดได้สำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การประมวลผลข้อมูลควอนตัมได้สำเร็จ สิ่งเหล่านี้รวมถึง: การปรับปรุงวิศวกรรมที่เน้นสีและความทนทานของควอนตัมบิต การผลิตเวเฟอร์ และการรวมแบบไฮบริดกับวัสดุและส่วนประกอบโทนิคอื่นๆ แม้จะมีความท้าทายเหล่านี้ แต่การวิจัยในปัจจุบันที่มุ่งสู่พื้นที่เหล่านี้ยังมีความตื่นตัวอย่างมากและคาดว่าจะมีความคืบหน้าอย่างมากในอีกไม่กี่ปีข้างหน้า