現代電腦晶片可以建構奈米級結構。到目前為止，只能在矽晶片頂部形成這種微小結構，但現在一種新技術可以在表面下的一層中創建奈米級結構。該方法的發明者表示，它在光子學和電子學領域都有著廣闊的應用前景，有朝一日，人們可以在整個矽片上製造3D結構。

該技術依賴矽對某些波長的光透明這一事實。這意味著合適的雷射可以穿過晶圓表面並與下面的矽相互作用。但設計一種既可以穿過表面又不會造成損壞、還能在下面進行精確奈米級製造的雷射並不簡單。

土耳其安卡拉比爾肯特大學的研究人員透過使用空間光調製來創建針狀雷射光束，從而更好地控制光束能量的分佈位置，從而實現了這一目標。透過利用雷射和矽之間的物理相互作用，他們能夠製造具有不同光學特性的線和平面，這些線和平面可以組合起來在表面下創建奈米光子元件。

使用雷射在矽片內部進行製造並非新鮮事。但領導這項研究的比爾肯特大學物理學助理教授Onur Tokel解釋說，到目前為止，只能製造出微米級結構。他說，將這種方法擴展到奈米級可以釋放新的能力，因為它可以製造出與入射光波長大小相當的特性。當這種情況發生時，這些結構會表現出一系列新穎的光學行為，除其他外，這使得製造超材料和超表面成為可能。

「矽是電子、光子學和光伏技術的基石， Tokel 說。「如果我們能在奈米級晶圓內部引入額外的功能，以補充這些現有的功能，這將帶來一個完全不同的範例。現在你可以想像在體積內做事，甚至可能最終在三維空間中做事。我們相信這將開啟令人興奮的新方向。 」

先前的技術無法在奈米尺度上製造，因為雷射一旦進入矽內部就會散射，很難精確地沉積能量。在《自然通訊》雜誌發表的一篇論文中，托克爾的團隊展示了他們可以透過使用一種稱為貝塞爾光束的特殊雷射來解決這個問題，這種雷射不會發生衍射。這意味著雷射可以對抗光散射效應，在矽內部保持狹窄的聚焦，從而可以精確地沉積能量。

當雷射照射到晶圓上時，會在光束聚焦的區域產生微小的孔洞，即空隙。 Tokel說，以前的方法也出現過這種情況，但聚焦更緊密的光束產生的較小空隙會表現出「場增強」效應，導致雷射強度在它們周圍增加。這會改變空隙周圍的矽結構，進而進一步增強增強效應，形成一個自持回饋迴路。團隊還發現，他們可以透過改變雷射的偏振來改變場增強的方向。

最終結果是在矽片中創造出最小100 奈米的二維平面或線狀結構。這些結構的折射率與晶圓的其餘部分不同，但Tokel 表示，目前還不完全清楚這些結構的組成。根據先前的研究，他認為矽片的底層晶體結構可能已被修改。他補充說，電子顯微鏡研究應該能夠在未來澄清這一點，但最終沒有必要了解這些結構的確切底層性質來創建有用的奈米光子元件。

為了證明這一點，研究人員製造了一種奈米級光子裝置，稱為布拉格光柵，可用作光學濾波器。據該團隊稱，這是第一個完全埋在矽中的功能性奈米級光學元件。

德國耶拿大學研究員Maxime Chambonneau表示，研究人員能夠實現奈米級特徵非常了不起，因為Tokel 團隊使用的相對較長的雷射脈衝通常會產生較大的熱影響區，導致微尺度變化。 （Bilkent 團隊採用以納秒為單位的脈衝，而其他直接雷射寫入工作傳統上涉及皮秒或飛秒雷射。）Chambonneau 表示，能夠創建小於光波的特徵可能會帶來各種可能性，包括提高太陽能電池的能量收集能力。

由於該製造技術不會對晶圓表面造成任何改變， Tokel表示，未來該技術可用於製造多功能設備，電子元件位於表面，光子元件埋在下方。該團隊也正在研究該方法是否可用於在晶片表面下雕刻微流體通道。托克爾表示，透過這些通道泵送流體可以改善散熱，有助於冷卻電子設備並使其運作更快。

Tokel表示，這種方法的最大限制在於研究人員無法精確控制空洞在特定區域出現的位置。目前，一小部分空洞在雷射光束聚焦的區域中分佈不均勻。托克爾表示，如果他們能夠更精確地定位這些空洞，他們就能在三維空間中進行奈米加工，而不僅僅是簡單地生產出線條或平面。

「如果你能單獨控制這些東西，並將它們像鏈條一樣分發，那麼未來這將非常令人興奮，」他補充道。 “因為這樣你將擁有更多的控制權，這將使更豐富的元素或系統成為可能。”