Í samanburði við fyrirferðarmikla gasleysis og trefjaleysis hafa hálfleiðara leysir kosti smæðar, mikillar orkunýtni, mikillar samhengis og mikillar stjórnunar. Hins vegar er notkun hálfleiðara efna sem vinnuefni til að framleiða spennt losun leysisins, en hefur einnig sína eigin galla: léleg hitaeinkenni, auðvelt að mynda hávaða, úttaksljósdreifing alvarleg. Ein af afleiðingum þessara galla er að - það er erfitt að ná birtustigi fyrir iðnaðar-gráðu klippingu á þykku stáli og svo framvegis.
Hins vegar má búast við að rannsóknarniðurstaða sem birt var í síðustu viku í tímaritinu Nature muni brjóta þetta ástand, lykilframfarir::
Það er greint frá því að hópur vísindamanna við Kyoto háskólann í Japan, undir forystu IEEE Fellow Susumu Noda, hafi tekið stórt skref fram á við í að sigrast á birtutakmörkunum hálfleiðara leysis með því að breyta uppbyggingu ljóseindakristal yfirborðsgeisla leysira (PCSEL).
Ljósmyndandi kristallar eru samsettir úr venjulegum uppblásanlegum holum á nanóskala sem eru götuð í hálfleiðaraplötu. Ljósmyndandi kristalleysir eru einn af "mögulegu leikmönnum" á sviði hábirtuleysis, en hingað til hefur verkfræðingum ekki tekist að koma þeim upp til að gefa geisla nógu bjarta til að hægt sé að nota til raunverulegrar málmskurðar og vinnslu. Rannsakendur hafa unnið að því að hámarka frammistöðu hálfleiðara leysis, þar á meðal aflumbreytingarnýtni, úttaksstyrk, geislagæðum, leysiorkustigi, litrófseiginleikum, stærð, styrkleika fyrir óæskilegum hávaða og hitastjórnun, áreiðanleika o.s.frv. (Athugið: Birta er mælikvarði á úttaksstyrk leysis og gæði geisla, sem nær yfir fókusstig og frávik ljósgeisla. (Þröskuldsgildið fyrir málmvinnslu er um 1 gígavatt/cm2.)
Ofangreint rannsóknarteymi undir forystu Academician Susumu Noda hefur safnað meira en 20 ára rannsóknarreynslu í PCSEL þróun. Hvað varðar áþreifanlegar niðurstöður: þeim tókst að þróa leysir með 3 mm þvermál, sem er 10-föld aukning á flatarmáli miðað við fyrri PCSEL tæki með 1 mm þvermál. Úttaksafl þessa nýstárlega leysis er 50W, sem er umtalsverð aukning miðað við 5-10W úttaksafl 1mm PCSEL. Birtustig þessa nýja leysis er um það bil 1GW/cm2/str, sem er nægilegt fyrir margs konar notkun sem nú er einkennist af gas- og trefjaleysis, svo sem nákvæmni snjallframleiðslu í rafeindatækni og bílaiðnaði. Þetta háa birtustig dugar einnig fyrir sértækari notkun eins og gervihnattasamskipti og gervihnattadrif.
Við að auka stærð og birtustig ljóseindakristalleysis steðjast að ýmsum áskorunum. Nánar tiltekið, hálfleiðara leysir lenda í flöskuhálsum þegar losunarsvæði þeirra er stækkað: breiðari leysir svæði þýðir að það er pláss fyrir samfelldar sveiflur ljóss í losunarstefnu og hliðarsveiflur og þessar hliðarsveiflur (þekktar sem hærri röð stillingar/hærri röð stillingar ) eyðileggja nákvæmlega gæði geislans. Að auki, ef leysirinn fer í stöðuga notkun, breytir hitinn inni í leysinum brotstuðul tækisins, sem leiðir til frekari versnunar á geislagæðum.
Lykilbyltingarpunkturinn sem rannsóknarteymi Susumu Noda hefur komið með er að þeir hafa fellt ljóseindakristalla inn í leysirinn og breytt innra endurspeglunarlaginu til að gera sveiflur í einni stillingu yfir stærra svæði og til að bæta upp varmaskemmdir. Þessar tvær breytingar gera PCSEL kleift að viðhalda háum geislagæðum, jafnvel meðan á stöðugri notkun stendur.
Til að fella ljóseindakristallinn inn, hannaði teymið mynstur af holum í kristallaginu sem sveigir ljós á skilvirkan hátt, sem leiðir til geisla með mjög litlum fráviki. Þeir notuðu nanoimprint steinþrykk til að búa til ljóseindakristallana og flýta þannig fyrir framleiðslunni.
Í dæmigerðum ljósakristalleysisbúnaði, sveigja þessi holrúm, sem hafa annan brotstuðul en nærliggjandi hálfleiðari, ljósið inni í leysinum á nákvæman hátt. Og rannsóknarteymi Susumu Noda hannaði mynstrið af holum í kristalnum þannig að ljósið myndi sveigjast af hringlaga og sporöskjulaga holum sem eru eftir fjórðungur leysibylgjulengdar frá hvort öðru. Að lokum valda þessar sveigjur taps í hærri röð mynstrum, sem leiðir til hágæða geisla með nánast engum frávikum.
Þetta hugtak er nógu gott fyrir 1 mm leysir, en að stækka það á 3 mm svæði krefst frekari nýsköpunar. Til að ná fram sveiflu í einni stillingu yfir stærra svæði, breyttu rannsakendur stöðu endurskinsmerkisins neðst á leysinum, sem olli meira óæskilegu tapi í lóðréttri átt.
Að lokum fjallaði Susumu Noda rannsóknarteymið einnig um vandamálið við að hita sem breytir brotstuðul tækisins og veldur því að geislinn víkur. Þeir leystu þetta vandamál með því að breyta aðeins tímabili gasholanna í ljóseindakristalnum þannig að þau séu á réttum stað þegar leysirinn er á fullu afli.
Lið hans hefur stofnað öndvegismiðstöð fyrir ljósakristal yfirborðsgeislunarleysi við Kyoto háskólann, sem nær yfir svæði sem er 1,000m2, og meira en 85 fyrirtæki og rannsóknarstofnanir taka þátt í þróun PCSEL tækni. Liðið er að iðnvæða PCSEL hönnun sína fyrir fjöldaframleiðslu.
Sem hluti af þessu ferli hafa þeir lokið umbreytingu frá rafeindageislalitógrafíu fyrir ljóseindakristalla yfir í nanóprentlitógrafíu fyrir ljóseindakristalla. Rafgeislalitógrafía er mjög nákvæm, en venjulega of hæg fyrir fjöldaframleiðslu. Nanoimprint lithography, sem í grundvallaratriðum stimplar mynstur á hálfleiðara, er dýrmætt til að búa til mjög venjuleg mynstur fljótt.
Noda útskýrði að í framtíðinni muni teymið enn frekar stækka þvermál leysisins úr 3 mm í 10 mm, stærð sem gæti framleitt 1 kW af framleiðsla, þó að þessu markmiði væri einnig hægt að ná með því að nota fylki 3 mm PCSELs. Hann gerir ráð fyrir að hægt sé að nota sömu tækni og 3 mm tækið til að skala allt að 10 mm (sem gert er ráð fyrir að framleiði 1 kW geisla) og að það væri nóg að nota sömu hönnun.
