Разработчики современных оптических устройств всеми силами пытаются сделать эти устройства все меньшими и меньшими. Их конечной целью является создание интегрированных фотонных чипов, размеры которых будут сопоставимы с размерами обычных кремниевых полупроводниковых чипов, что, в свою очередь, должно привести к появлению вычислительных систем, обладающих высоким быстродействием, и устройств хранения информации, обеспечивающих высокий показатель плотности записи.
Одним из ключевых компонентов любой оптической системы является оптический волновод, световод, который выполняет такую же самую функцию, как токопроводящие дорожки и шины в обычной электронике. И попытки миниатюризации этого компонента наталкиваются на ряд трудностей, связанных с ограничениями, накладываемыми законами физики.
Самые миниатюрные световоды, которые удавалось сделать до последнего времени, имеют толщину 200-300 нанометров. Но исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось подобрать материал и изготовить из него работающий световод, состоящий из трех атомарных слоев, другими словами, его толщина равна около шести ангстремов (ангстрем – это одна 10-я часть нанометра). Таким образом, новый световод является более чем в 500 раз тонким, чем световоды, используемые в настоящее время.
Ключевым моментом во всем этом деле стал материал из семейства переходных металлических дихалькогенидов – дисульфид вольфрама. К этому семейству материалов относятся вещества состоящие из одного из 15 переходных металлов и одного из трех видов семейства халькогенов – серы, селена или теллура. Около пяти лет назад ученые обнаружили, что использование таких материалов позволяет сделать канал затвора транзисторов тоньше, чем 1 нанометра.
Одним из отличительных свойств дисульфида вольфрама является то, что даже в монослое этого материала при комнатной температуре формируются достаточно стабильные квазичастицы, состоящие из связанных электрона и электронной дырки, так называемые экситоны. В дополнение к этому, монослой дисульфида вольфрама способен проводить свет видимого диапазона, и этот материал стал первым в истории науки, при столь малой толщине обеспечивающим работу со светом видимого диапазона.
Конечно, изготовление световодов из материала трехатомной толщины является очень сложной задачей с технологической точки зрения. Любые даже макроскопические силы приводят к разрушению хрупкого материала, но исследователи нашли способ работы с ним, используя так называемые расходный шаблон, который удаляется на самом конечном этапе производственного процесса. Этот шаблон представляет собой тонкую мембрану из нитрида кремния, поддерживаемую крошечными кремниевыми структурами. Все это служит основанием, на котором “возводится” структура световода. После завершения создания структуры световода нитрид кремния удаляется, оставляя после себя на кремниевом основании структуру из чистого кристаллического дисульфида вольфрама.
Ученым пока удалось изготовить лишь несколько образцов самых тонких световодов на сегодняшний день. Но после того, как будет разработана технология производства высококачественных пленок дисульфида вольфрама в промышленных масштабах, световоды из этого материала быстро найдут практическое применение в коммерческих оптоэлектронных устройствах.