エンジニアが次への道を切り開く

博士課程の学生、Len van Deurzen は、深紫外レーザー発光装置を操作するための実験室設備を操作しています。

コーネル大学のエンジニアは、半導体材料を使用して深紫外レーザーを開発しました。このレーザーは、医療器具の滅菌、水の浄化、有害ガスの感知、および高精度フォトリソグラフィーの実現などでの紫外光の使用を改善する上で大きな期待が寄せられています。

紫外線に関して言えば、周波数 (特定の周波数はウイルスの破壊や分子の感知に最適です) と、レーザーの精度の尺度である線幅の 2 つの重要な性質があります。 科学者や技術者は、より高品質でより効率的な紫外光放射源を求めていますが、これを可能にする半導体材料を扱うのは困難です。

ジャーナルAIP Advancesに3月11日に掲載された論文では、コーネル大学の科学者らが、求められている波長とモード線幅で深紫外レーザーを放射できる窒化アルミニウムガリウムベースのデバイスをどのように製造したかについて詳しく説明している。

「これが適切な材料であることは知られているが、材料の合成に問題があった」と研究を主導した応用物理・工学物理学の博士課程学生、レン・ファン・ドゥルゼン氏は述べた。 「課題は、材料を実際に有用であり、レーザーの要件を維持できるほど純粋にすることです。」

これは、SARS-CoV-2 ウイルスを検出して除去できる紫外線 LED やその他のツールの需要が市場で活況を呈し始めた、新型コロナウイルス感染症 (COVID-19) のパンデミックの最中に、ヴァン・ドゥルツェン氏が受け入れた挑戦でした。

「私は影響を与える可能性のある研究プロジェクトを望んでいた。そしてパンデミックにより、改良された紫外線装置の必要性が実際に高まった。」とヴァン・ドゥルゼン氏は語った。

論文の上級著者である材料科学工学および電気工学およびコンピュータ工学の教授である Debdeep Jena 教授と Huili Grace Xing 教授の指導の下、チームは結晶成長技術である分子線エピタキシーを使用して、高品質の結晶を成長させました。窒化アルミニウム。

「複数の窒化アルミニウムガリウム層を互いに積み重ねる必要があり、重要なパラメーターの 1 つはそれらの層間の界面の品質です」と van Deurzen 氏は述べています。 「他の成長技術で形成される不純物や転位を発生させることなく、非常に鋭い界面を成長させることができます。」

2 番目の課題は、放出された光を捕捉し、レーザーに必要な誘導放出を促進するために使用できる、積層された層から光キャビティを作成することでした。 このキャビティは、窒化アルミニウム チップ上に小さなミクロン スケールの共振器の形で作成され、van Deurzen は Cornell NanoScale Science and Technology Facility の支援を受けて開発することができました。

「同じ建物内にある 2 つの最先端の施設で材料を成長させ、チップ​​を製造できるのは本当に光栄です」と van Deurzen 氏はダフィールド ホールについて語った。 「3階から地下に行くだけです。」

完成すると、レーザーは 284 ナノメートルの波長でピーク利得、0.1 ナノメートル程度のモード線幅を達成することができました。 線幅は同様のデバイスよりも一桁正確であり、改良された紫外発光体に対する成長法の適用可能性を示しています。

Cornell 深紫外レーザーは光学的に励起されます。つまり、光子をデバイスに入力することによってレーザー発振のための特定の要件が生成されます。 イエナ氏によると、研究の次のステップは、同じ材料プラットフォームを使用して、市販の発光デバイスにとってより実用的なエネルギー源である、バッテリーからの電流によって駆動されるレーザーを実現することだという。

「深紫外レーザーはおそらく、長期的に莫大な利益をもたらす半導体材料とデバイスの最後のフロンティアです」と、デビッド・E・バー工学教授でリチャード・E・ランクイスト1500周年ファカルティフェローのジェナ氏は語った。 「しかし、それは若い大学院生が巻き込まれ、すぐに影響を与えることができる種類の問題でもあります。」

この論文の共著者には、博士課程の学生であるライアン・ペイジ氏、研究員のウラジミール・プロタセンコ氏と野本一樹氏が含まれる。 この研究は米国エネルギー省から資金提供を受け、国立科学財団から資金提供を受けたユーザー施設によって支援されました。

Syl Kacapyr は、工学部のマーケティングおよびコミュニケーション部門の副ディレクターです。

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