엔지니어들이 다음 단계를 위한 길을 열다

박사과정 학생인 Len van Deurzen은 원자외선 레이저 방출 장치를 작동하는 데 사용되는 실험실 설정을 연구하고 있습니다.

코넬의 엔지니어들은 의료 도구 살균, 물 정화, 유해 가스 감지, 정밀 사진 석판술 구현 등을 위한 자외선 사용 개선에 대한 큰 가능성을 보여주는 반도체 재료를 사용하여 원자외선 레이저를 개발했습니다.

자외선의 경우 두 가지 중요한 특성은 주파수(특정 주파수는 바이러스를 파괴하거나 분자를 감지하는 데 가장 적합함)와 레이저의 정밀도를 측정하는 선폭입니다. 과학자와 엔지니어들은 더 높은 품질과 더 효율적인 자외선 방출 소스를 찾고 있지만 이를 가능하게 하는 반도체 재료를 사용하여 작업하는 것은 어렵습니다.

AIP Advances 저널에 3월 11일 발표된 논문은 코넬 과학자들이 원하는 파장과 모달 선폭에서 원자외선 레이저를 방출할 수 있는 질화알루미늄 갈륨 기반 장치를 생산한 방법을 자세히 설명합니다.

연구를 주도한 응용공학 물리학 박사과정 렌 반 데우르젠(Len van Deurzen)은 “적합한 재료인 것으로 알려졌으나 재료 합성 문제였다”고 말했다. "도전은 실제로 유용하고 레이저의 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 순수한 재료를 만드는 것입니다."

이는 시장이 자외선 LED 및 SARS-CoV-2 바이러스를 감지하고 제거할 수 있는 기타 도구에 대한 호황을 누리기 시작한 코로나19 팬데믹 기간 동안 van Deurzen이 받아들인 과제였습니다.

van Deurzen은 "나는 영향을 미칠 수 있는 연구 프로젝트를 원했습니다. 그리고 전염병으로 인해 개선된 자외선 장치에 대한 필요성이 실제로 증폭되었습니다."라고 말했습니다.

논문의 수석 저자인 재료 과학 및 공학 교수와 전기 및 컴퓨터 공학 교수인 Debdeep Jena와 Huili Grace Xing의 지도 하에 팀은 결정 성장 기술인 분자빔 에피택시를 사용하여 다음과 같은 고품질 결정을 성장시켰습니다. 질화알루미늄.

van Deurzen은 "우리는 서로 적층된 여러 개의 알루미늄 갈륨 질화물 층이 필요하며 중요한 매개변수 중 하나는 이러한 층 사이의 인터페이스 품질"이라고 말했습니다. "우리는 다른 성장 기술로 형성되는 불순물과 전위 없이 매우 날카로운 인터페이스를 성장시킬 수 있습니다."

두 번째 과제는 방출된 빛을 가두어 레이저에 필요한 유도 방출을 촉진하는 데 사용할 수 있는 적층된 층에서 광학 공동을 만드는 것이었습니다. 공동은 van Deurzen이 Cornell NanoScale 과학 및 기술 시설의 도움으로 개발할 수 있었던 질화알루미늄 칩에 작은 미크론 규모 공진기 형태로 만들어졌습니다.

Duffield Hall을 언급하면서 van Deurzen은 "같은 건물에 위치한 두 개의 최첨단 시설에서 재료를 성장시키고 칩을 생산할 수 있다는 것은 진정한 특권입니다."라고 말했습니다. "3층에서 지하로 내려가시면 됩니다."

일단 완료되면 레이저는 284나노미터의 파장과 0.1나노미터 정도의 모달 선폭에서 피크 이득을 달성할 수 있었습니다. 선폭은 유사한 장치보다 훨씬 더 정확하며 향상된 자외선 방출기에 대한 성장 방법의 적용 가능성을 보여줍니다.

코넬 심자외선 레이저는 광학적으로 펌핑됩니다. 즉, 장치에 광자를 입력하여 레이저 발생에 대한 특정 요구 사항을 생성합니다. Jena에 따르면 연구의 다음 단계는 동일한 재료 플랫폼을 사용하여 배터리의 전류에 의해 구동되는 레이저를 구현하는 것입니다. 이는 상업적으로 이용 가능한 발광 장치에 보다 실용적인 에너지원입니다.

"심자외선 레이저는 틀림없이 막대한 장기적 이익을 제공하는 반도체 재료 및 장치의 최종 개척지입니다"라고 David E. Burr 공학 교수이자 Richard E. Lunquist 100주년 교수 펠로우인 Jena가 말했습니다. "그러나 그것은 또한 젊은 대학원생이 개입하여 즉각적인 영향을 미칠 수 있는 종류의 문제이기도 합니다."