ความท้าทายในการจัดการระบบการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสู่อนาคต
สัมภาษณ์ 05
ศาสตราจารย์ สุสุมุ โนดะ
บัณฑิตวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกียวโต
ชิปออปติคัล นวัตกรรมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การควบคุมการปล่อยความร้อน และเซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพสูง ฯลฯ คริสตัลโฟโตนิกเป็นวัสดุที่เป็นนวัตกรรมที่สามารถจับอนาคตได้อย่างไม่ต้องสงสัย ศาสตราจารย์ Susumu Noda จากมหาวิทยาลัยเกียวโตได้เป็นผู้นำการศึกษาในสาขานี้ตั้งแต่เริ่มต้นและยังคงวิ่งไปสู่ความฝันที่ทะเยอทะยานต่อไป
วัสดุล้ำสมัย – คริสตัลโฟโตนิก
ด้วยความสามารถในการแยก โค้งงอ จัดเก็บ และเสริมกำลังแสง “คริสตัลโฟโตนิก” เป็นวัสดุที่เป็นนวัตกรรมใหม่ซึ่งมีศักยภาพที่ดีในการจัดการแสงได้อย่างอิสระ และทำให้อุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์มีความเป็นไปได้อย่างก้าวกระโดด เนื่องจากแสงมีข้อดีที่มันเดินทางได้เร็วกว่าอิเล็กตรอนมาก และแทบจะไม่ลดทอนเลยแม้แต่ตอนที่เดินทางเป็นระยะทางไกล จึงมีความพยายามที่จะผสมผสานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ นานา อย่างไรก็ตาม ในขณะที่กระแสของอิเล็กตรอนสามารถจัดการได้อย่างอิสระด้วยสารกึ่งตัวนำ สำหรับแสง ไม่มีสารกึ่งตัวนำที่เทียบเท่าดังกล่าวอยู่ ผลึกโฟโตนิกแทบทำหน้าที่เป็น "สารกึ่งตัวนำสำหรับแสง" ที่ช่วยให้สามารถควบคุมแสงได้เช่นเดียวกับอิเล็กตรอน
ตัวอย่างหนึ่งของการประยุกต์ใช้คริสตัลโฟโตนิกที่เป็นไปได้คือคอมพิวเตอร์แบบมีสายออปติกที่มีพื้นผิวภายในทำด้วยคริสตัลโฟโตนิก สำหรับพื้นผิวทั่วไป ข้อมูลจะถูกส่งผ่านโดยอิเล็กตรอนระหว่างส่วนประกอบต่างๆ เช่น CPU และหน่วยความจำ อย่างไรก็ตาม ความเร็วของอิเล็กตรอนมีจำกัด และอิเล็กตรอนจำเป็นต้องสร้างความร้อน ซึ่งเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่ทำให้ไม่สามารถปรับปรุงความเร็วในการประมวลผลของคอมพิวเตอร์ได้ อย่างไรก็ตาม การใช้วัสดุพิมพ์ที่ทำด้วยคริสตัลโฟโตนิก ข้อมูลสามารถนำผ่านแสงระหว่างส่วนประกอบได้ เทคโนโลยีการจัดเก็บแสงที่เข้มข้น ณ จุดหนึ่งโดยใช้คริสตัลโฟโตนิกได้รับการคิดค้นขึ้นแล้ว การพัฒนาเทคโนโลยีดังกล่าวในท้ายที่สุดจะทำให้ประสิทธิภาพของซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในปัจจุบันกลายเป็นคอมพิวเตอร์ขนาดผู้บริโภค
คริสตัลโฟโตนิกยังคาดว่าจะทำให้เกิดการปฏิวัติในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ แม้ว่าเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์จะก้าวหน้าอย่างมากในแง่ของความยาวคลื่นและเวลา แต่ก็ทิ้งเทคโนโลยีเลเซอร์อื่นๆ ไว้ เช่น เลเซอร์โซลิดสเตตและเลเซอร์ก๊าซในแง่ของกำลัง นอกจากนี้ ความก้าวหน้าในอำนาจยังมาช้านาน หากเลเซอร์คริสตัลโฟโตนิกสามารถทำงานในพื้นที่ขนาดใหญ่ได้อย่างสมบูรณ์ คาดว่าการดำเนินการพลังงานสูงด้วยคุณภาพของลำแสงที่สูงสม่ำเสมอจะเป็นไปได้ ซึ่งจะทำให้เกิดการปฏิวัติครั้งใหม่ในด้านเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ การใช้งานที่เป็นไปได้มีตั้งแต่อุตสาหกรรมการแปรรูป ยานยนต์ และการตรวจจับ ไปจนถึงเลเซอร์จุดระเบิดสำหรับนิวเคลียร์ฟิวชัน ขนาดตลาดที่มีศักยภาพมีขนาดใหญ่อย่างน่าทึ่ง
คริสตัลโฟโตนิกยังคาดว่าจะกระตุ้นการปรับปรุงเทคโนโลยีการปล่อยความร้อน การแผ่รังสีความร้อนในที่นี้หมายถึงปรากฏการณ์ของการเกิดแสง (คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) จากวัตถุที่ให้ความร้อน เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ปรากฏการณ์นี้ถูกใช้เป็นหลักการพื้นฐานของหลอดไฟและแหล่งกำเนิดแสงเพื่อการวิเคราะห์ ในแง่นี้ ดวงอาทิตย์ยังเป็นตัวปล่อยความร้อน ซึ่งฉายแสงในแถบคลื่นที่กว้างมากตั้งแต่แสงอัลตราไวโอเลตไปจนถึงแสงอินฟราเรด ในทำนองเดียวกัน ตัวปล่อยความร้อนทั่วไปจะแผ่แสงในช่วงกว้างโดยไม่จำเป็นสำหรับวัตถุประสงค์เฉพาะ และทำให้ประสิทธิภาพการใช้แสงลดลงอย่างมาก จะเกิดอะไรขึ้นหากการแผ่รังสีความร้อนจากวัตถุสามารถรวมกันเป็นความยาวคลื่นที่ต้องการและเส้นความกว้างที่ต้องการโดยไม่สูญเสียพลังงานและถูกควบคุมแบบไดนามิกและด้วยอัตราที่สูงเป็นพิเศษ โดยจะตระหนักถึงแหล่งกำเนิดแสงอินฟราเรดที่มีประสิทธิภาพสูงและมีอัตราสูงเพื่อวัตถุประสงค์ในการวิเคราะห์ที่หลากหลาย และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบผลิตไฟฟ้าจากเทอร์โมโฟโตโวลตาอิกอย่างมีนัยสำคัญ
โครงสร้างการจัดการแสงได้อย่างอิสระ
แสงมีลักษณะเหมือนคลื่น และความแตกต่างของความยาวคลื่นในช่วงแสงที่มองเห็นจะแสดงเป็นสีต่างๆ สาเหตุที่แสงแดดและแสงจากหลอดฟลูออเรสเซนต์ดูเป็นสีขาวสำหรับเรานั้นเกิดจากการสังเคราะห์แสงในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ เสาสีแดงมีลักษณะเป็นสีแดง เนื่องจากแสงที่สะท้อนจากเสาเป็นสีแดง และแสงอีกดวงถูกดูดกลืนหรือส่งผ่าน การสะท้อน การดูดกลืน และการส่งผ่านแสงถูกกำหนดโดยโครงสร้างโมเลกุลและพื้นผิวของวัตถุ ผลึกโฟโตนิกมีขึ้นเพื่อออกแบบและผลิตโครงสร้างจุลภาคดังกล่าวเพื่อควบคุมการสะท้อนของแสงได้อย่างอิสระ (เช่น การเปลี่ยนทิศทางของแสง) และการสะท้อนของแสง (เช่น การเสริมแสง)
ขั้นตอนการทำคริสตัลโฟโตนิกนั้นง่ายมาก ในกรณีของเซมิคอนดักเตอร์ ส่วนประกอบวัสดุหลักคือเวเฟอร์ซิลิกอน (หรือเวเฟอร์สารกึ่งตัวนำแบบผสม III-V) ขั้นตอนมีดังนี้: ขั้นแรก ใช้ลำอิเล็กตรอนเพื่อสร้างรูอากาศที่จัดวางอย่างเป็นระเบียบบนแผ่นเวเฟอร์ ทำให้อากาศเข้าสู่รูขุมขน จากนั้นรูปแบบที่เกิดซ้ำจำนวนมากที่มีดัชนีการหักเหของแสงต่างกันจะถูกสร้างขึ้นระหว่างชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์และการสะท้อนเกิดขึ้นที่ขอบเขต ด้วยเหตุนี้ มันจึงทำให้เกิดปรากฏการณ์การสะท้อนของแบรกก์ ซึ่งแสงที่สะท้อนจากขอบเขตในทิศทางที่เฉพาะเจาะจงรบกวนการสร้างสรรค์ และแสงอื่นๆ เข้าไปรบกวนการทำลายล้างและหายไป และส่งผลให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า “ฉนวนแสง”
โครงสร้างที่เรียกว่า “ข้อบกพร่องเทียม” มีความสำคัญมากกว่า เมื่อรูอากาศที่มีขนาดหรือรูปร่างต่างกันและ/หรือส่วนที่ไม่มีรูอากาศถูกสร้างขึ้นตามรูปแบบของรูพรุนที่มีการจัดวางอย่างเป็นระเบียบ อนุญาตให้มีแสงในส่วนดังกล่าว ทำให้สามารถส่งหรือเก็บแสงผ่านส่วนต่างๆ ได้ . “ข้อบกพร่อง” เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นกรงแห่งแสง ดังนั้นจึงสามารถควบคุมวิธีการแพร่กระจายของแสงได้อย่างยืดหยุ่นโดยจัดเรียงข้อบกพร่องให้สอดคล้องกัน (รูปที่ 1 แสดงภาพสามมิติของตัวอย่างวงจรโฟโตนิกบนแผ่นเวเฟอร์คริสตัลโฟโตนิก) นอกจากนี้ หากเกิดข้อบกพร่องระดับจุลภาค (รวมถึงรูปแบบจุลภาคของขนาดข้อบกพร่อง) แสงจะบรรจบกันเป็นข้อบกพร่องและมีเพียงแสงที่มีความยาวคลื่น (s) ที่เหมาะสมกับขนาดของรูอากาศจะรบกวนอย่างสร้างสรรค์ โครงสร้างดังกล่าวจะรับรู้ถึงความทรงจำที่เก็บแสงสำหรับวงจรโฟโตนิกและอุปกรณ์ไมโครเลเซอร์ (รูปที่ 2 แสดงไมโครกราฟอิเล็กตรอนแบบสองมิติของท่อนำคลื่นแสงและนาโนเรโซเนเตอร์ที่เกิดขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์คริสตัลโฟโตนิก) อย่างไรก็ตาม เส้นผ่านศูนย์กลางของรูอากาศจะละเอียดเท่ากับประมาณ 200 นาโนเมตร ซึ่งเล็กกว่าขนาดของ a ไวรัส และนี่หมายถึงความแม่นยำในระดับนาโนเมตรเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิต เพื่อให้ได้ฟังก์ชันที่ต้องการ ตำแหน่งรูอากาศจะต้องถูกควบคุมในนาโนเมตรย่อยและต้องใช้เครื่องจักรที่มีความแม่นยำสูง
Fig.1
ภาพสามมิติของเส้นทางแสงผ่านคริสตัลโฟโตนิก
Fig.2
รูปแบบสองมิติของรูอากาศที่จัดวางอย่างเป็นระเบียบโดยใช้ "ข้อบกพร่องเทียม" ส่วนที่ระบุว่าเป็น "นาโนเรโซเนเตอร์" (ระหว่างเส้นประที่มีช่วงรูพรุนกว้างขึ้น 10 มม.) สามารถจำกัดแสงได้นานขึ้น ส่วนที่ระบุว่าเป็น "เวฟไกด์" (ความสูงมากกว่าตัวสะท้อนนาโน) ทำหน้าที่นำแสงจากภายนอกสู่ตัวสะท้อนนาโน เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางรูพรุนและระยะห่างควรถูกควบคุมเป็นนาโนเมตร จึงจำเป็นต้องมีการวาดภาพที่แม่นยำโดยระบบการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน
ตัวเลขสำคัญที่อยู่เบื้องหลังการใช้งานจริงของคริสตัลโฟโตนิก
ปัจจุบันห้องปฏิบัติการของศาสตราจารย์โนดะใช้ระบบการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนล้ำสมัยของ JEOL เพื่อกำหนดเส้นทางสู่อนาคต
Susumu Noda ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเกียวโต มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการพัฒนาคริสตัลโฟโตนิกตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980
หลังจากสำเร็จการศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา ศาสตราจารย์รุ่นเยาว์ Noda เข้าร่วมห้องปฏิบัติการกลางที่ Mitsubishi Electric Corporation และทำการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีเลเซอร์ต่อไป เมื่อถึงจุดหนึ่งของความพึงพอใจในงานวิจัยของเขา เขาเริ่มสำรวจความเป็นไปได้ของวัสดุเกี่ยวกับการมองเห็นในยุคต่อไปและมุ่งความสนใจไปที่ผลึกโฟโตนิก บังเอิญ อดีตศาสตราจารย์ของเขาเสนอตำแหน่งผู้ช่วยที่มหาวิทยาลัยเกียวโต และเขาตัดสินใจกลับไปศึกษาวิจัยขั้นพื้นฐานในเชิงวิชาการ
“ในตอนนั้น ญี่ปุ่นอยู่ในจุดสุดยอดของเศรษฐกิจฟองสบู่ ด้วยเหตุนี้ สภาพแวดล้อมการวิจัยของวิสาหกิจเอกชนจึงดีกว่าสภาพแวดล้อมทางวิชาการมาก เนื่องจากห้องปฏิบัติการของมหาวิทยาลัยสามารถหาเงินค่าใช้จ่ายในการวิจัยได้เพียงปีละหลายล้านเยนเท่านั้น พวกเขายากจนมากจนบางคนใช้ขวดสาเกเปล่าเป็นบีกเกอร์” เขากล่าว
ศาสตราจารย์กล่าวว่าคริสตัลโฟโตนิกเป็นตัวแทนของความฝันอันยิ่งใหญ่ที่ทำให้เขากระตือรือร้นที่จะศึกษาต่อในสภาวะที่ยากลำบากเช่นนี้
“เมื่อฉันเริ่มการวิจัย นักวิจัยหลายคนตั้งคำถามถึงความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติ และพวกเขาเชื่อว่ามันเป็นแค่จินตนาการ ถึงกระนั้น ฉันยังเชื่อว่าคริสตัลโฟโตนิกจะรับรู้ถึงอุปกรณ์สำคัญในอนาคตหากนำไปปฏิบัติ"
เนื่องจากการขาดแคลนเงินทุนและเทคโนโลยีวิศวกรรมนาโนที่ยังไม่บรรลุนิติภาวะ งานวิจัยของเขาจึงไม่สามารถก้าวข้ามขั้นตอนทางทฤษฎีได้ การก้าวกระโดดครั้งใหญ่ในการวิจัยคริสตัลโฟโตนิกของเขาเป็นผลมาจากการพัฒนาอุปกรณ์ที่เรียกว่าระบบการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอน เราสามารถเรียกเครื่องนี้ (ภาพทางขวา) ว่า "เครื่องพิมพ์นาโน" เนื่องจากดึงข้อมูลการออกแบบที่พัฒนาโดย CAD ฯลฯ บนวัสดุนาโนโดยใช้ปืนอิเล็กตรอนที่ปล่อยอิเล็กตรอนออกมาในรูปของคาน เทคโนโลยีนี้ถูกใช้เป็นแหล่งอิเล็กตรอนของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน JEOL เข้าสู่ธุรกิจระบบการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนในปี 1967 ด้วยเทคโนโลยีและประสบการณ์อันยาวนานในธุรกิจกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน และปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบทีละขั้นตอนตามเสียงของนักวิจัย
“ระบบการพิมพ์หินของ JEOL สามารถระบุตำแหน่งของวัตถุได้อย่างแม่นยำและดึงออกมาได้อย่างแม่นยำ การเร่งความเร็วของการวิจัยของเรานั้นเป็นผลมาจากการปรับปรุงระบบดังกล่าวอย่างแน่นอน”
การแสวงหามาตรฐานแห่งอนาคต Devi
การแสวงหาอุปกรณ์มาตรฐานแห่งอนาคต
หลังจากอุทิศตนให้กับการวิจัยขั้นพื้นฐานที่มีรายละเอียดต่ำมาอย่างต่อเนื่องกว่า 10 ปี บทความที่เขาตีพิมพ์ในปี 2000 ได้นำศาสตราจารย์โนดะให้กลายเป็นจุดสนใจ บทความนี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของเทคโนโลยีคริสตัลโฟโตนิกกับผลงานวิจัยที่มีมายาวนานของเขาซึ่งมีมากมายมหาศาล ซึ่งเพียงพอสำหรับนักวิจัยจำนวนมาก ปัจจุบัน มีงานวิจัยประยุกต์เกี่ยวกับผลึกโฟโตนิกจำนวนหนึ่งซึ่งมีจุดมุ่งหมายเพื่อสร้างผลลัพธ์ที่เป็นรูปธรรม
หนึ่งในการใช้งานที่คาดหวังมากที่สุดของเทคโนโลยีนี้คือเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ที่เชื่อมโยงกันดังกล่าว ในการเขียนนี้ การดำเนินการระดับวัตต์ของเอาต์พุตบีมคุณภาพสูงและกำลังสูงด้วยชิปตัวเดียวได้ดำเนินการสำเร็จแล้ว นักวิจัยคาดหวังว่าโลกจะเปลี่ยนไปเมื่อมีการนำการดำเนินงาน 10W ไปใช้จริง นอกจากนี้ การประยุกต์ใช้เซลล์แสงอาทิตย์ยังได้รับความสนใจในฐานะแหล่งพลังงานหมุนเวียน เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีอยู่สามารถดูดซับและแปลงแสงที่มองเห็นได้เพียงบางส่วนให้เป็นพลังงาน ดังนั้นแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่จึงถูกละทิ้ง การควบคุมการปล่อยความร้อนด้วยผลึกโฟโตนิก (ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้) คาดว่าจะสามารถแก้ปัญหาได้ในอนาคต กล่าวคือ การควบคุมการปล่อยความร้อนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าได้โดยยอมให้มีการออกแบบเซลล์แสงอาทิตย์ที่ปล่อยแสงในแถบเฉพาะเพื่อการดูดซับที่มีประสิทธิภาพสูงสุดโดยเซลล์และยอมให้เซลล์รับแสงแดดได้เกือบทั้งหมด
นักวิจัยหลายคนชื่นชมความสำเร็จของเขาที่เปิดโอกาสให้เทคโนโลยีใหม่ ๆ ดังกล่าวเป็นไปได้ นักวิจัยหลายคนเชื่อว่าศาสตราจารย์โนดาสมควรได้รับรางวัลโนเบลครั้งต่อไป
"การใช้คริสตัลโฟโตนิกในทางปฏิบัติเพิ่งจะเริ่มต้นขึ้น ภารกิจของฉันคือการหล่อเลี้ยงเทคโนโลยีการแตกหน่ออย่างต่อเนื่องเพื่อให้ผลิบานเต็มที่" เขากล่าว
ซูสุมุ โนดะ
ศาสตราจารย์บัณฑิตวิทยาลัยวิศวกรรมศาสตร์และคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกียวโต
หลังจากจบหลักสูตรปริญญาโทที่ Graduate School of Engineering และ Faculty of Engineering, Kyoto University แล้ว ศาสตราจารย์ Noda ก็เข้าร่วม Mitsubishi Electric Corporation ในปี 1988 เขาดำรงตำแหน่งผู้ช่วยคณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกียวโต รองศาสตราจารย์ในปี 1992 และศาสตราจารย์ในปี 2000 ในปีเดียวกับที่เป็นศาสตราจารย์ เขาได้รับรางวัล IBM Japan Science Prize for Research ครั้งที่ 14 เกี่ยวกับเซมิคอนดักเตอร์โฟโตนิกคริสตัลและการใช้งาน ต่อจากนั้น ศาสตราจารย์โนดะได้รับรางวัลหลายรางวัล ได้แก่ การยกย่องวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีโดยรัฐมนตรีว่าการกระทรวงศึกษาธิการ วัฒนธรรม กีฬา วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในปี 2009 รางวัล Reona Ezaki ครั้งที่ 6 ในปี 2009 เหรียญรางวัลริบบิ้นสีม่วงในปี 2014 และรางวัล JSAP ดีเด่น รางวัลความสำเร็จ ปี 2015 เป็นต้น
โพสต์เมื่อ พฤษภาคม 2016