Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuwe, geïntegreerde optische sensor ontwikkeld die voor metingen in hogere resolutie zorgt. Dit maakt de weg vrij voor volledig geïntegreerde en compacte optische sensoren, inclusief lasers en detectoren voor on-chip sensing platforms. Dergelijke sensoren kunnen een centrale rol spelen in nauwkeurige metingen van beweging en kracht op nanoschaal, wat cruciaal is voor het ontwerp en de evaluatie van microchips en nanodevices. Dit onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.
‘Nano-metrologielab op een chip’ binnen handbereik dankzij nieuwe compacte optische sensor.
Andrea Fiore
In het tijdperk van de nano-elektronica is precisie aan de orde van de dag. Zo kunnen nanostructuren bijvoorbeeld worden bewaakt met nano-optische instrumenten – piepkleine, op licht gebaseerde systemen die de kleinste oppervlaktevariaties, -krachten en -bewegingen meten. Omdat resolutie en snelheid essentieel zijn, worden optische uitleessensoren op basis van optomechanische systemen vaak gebruikt in sensortoepassingen, zoals in atoomkrachtmicroscopen (AFM’s). Deze instrumenten genereren beelden in sub-nanometerresolutie, door het laserlicht te meten dat gereflecteerd als gevolg van de afbuiging van een cantilever over een te meten oppervlak.
Traditionele lasergebaseerde benaderingen zoals die in AFM’s kunnen echter omvangrijk zijn. Samen met de vraag naar lagere kosten en hogere resolutie is dit de aanleiding voor het zoeken naar een alternatieve aanpak. Dankzij ontwikkelingen in nano-optomechanische systemen (NOMS) zijn compacte optische sensoren voor het meten van beweging, kracht en massa op nanoschaal haalbaar. Een beperkende factor is echter de behoefte aan een afstembare laser met een smalle lijnbreedte, die lastig adequaat te integreren kan zijn op een instrument.
Om dit probleem te omzeilen hebben Tianran Liu, Andrea Fiore en collega’s van het Instituut voor Fotonische Integratie aan de TU/e een nieuw optomechanisch instrument ontworpen met een resolutie van 45 femtometers (dat is ongeveer 1/1000 van de grootte van het kleinste atoom) in een meettijd van een fractie van een seconde. Cruciaal is dat het instrument een ultra-brede optische bandbreedte van 80 nm heeft, waardoor een afstembare laser niet meer nodig is.
Golfgeleiders en groot golflengtebereik
De sensor is gebaseerd op een indiumfosfide (InP) membraan-op-silicium (IMOS) platform, dat ideaal is voor het integreren van passieve componenten zoals lasers of detectoren. De sensor zelf bestaat uit vier golfgeleiders – structuren die lichtsignalen beperken tot een bepaald pad en een bepaalde richting – met twee golfgeleiders die boven twee output-golfgeleiders hangen. Wanneer een hangende golfgeleider naar de output-golfgeleiders op het InP-membraan wordt geduwd, varieert de relatieve hoeveelheid signaal die door de output-golfgeleiders wordt gedragen. De fabricage vindt plaats via een reeks lithografische stappen om de golfgeleiders en de cantilever te definiëren, en de uiteindelijke sensor bestaat uit de transducers, de actuator en de fotodiodes.
Een van de belangrijkste voordelen van deze sensor is dat hij werkt met een breed bereik van golflengten, waardoor er geen dure laser op het instrument nodig is. Wat betreft de afbuiging van de cantilever, reproduceert de sensor ook de resolutie van cantilevers in traditionele, maar omvangrijke AFM’s. De onderzoekers van plan om, met dit nieuwe instrument als basis, een volledig ‘nanometrologielab’ te ontwikkelen. Geïntegreerd op een chip kan dat gebruikt worden voor halfgeleidermetrologie en helpen bij het ontwerp van de volgende generatie microchips en nano-elektronica.
