Glazen nanostructuren weerspiegelen bijna alle zichtbare licht, uitdagende fotonica -veronderstellingen

Een onderzoeksteam onder leiding van SUTD heeft glazen structuren op nanoschaal gecreëerd met bijna perfecte reflectie, waardoor langdurige veronderstellingen worden vernietigd over wat materialen met lage index kunnen doen in fotonica.

Al tientallen jaren is glas een betrouwbaar werkpaard van optische systemen, gewaardeerd vanwege de transparantie en stabiliteit ervan. Maar als het gaat om het manipuleren van licht op het nanoschaal, vooral voor krachtige optische apparaten, heeft Glass traditioneel een achterbank genomen naar hogere brekingsindexmaterialen. Nu is een onderzoeksteam onder leiding van professor Joel Yang van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) dit verhaal hervormd.

Met bevindingen gepubliceerd in De wetenschap vorderthet team heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor 3D-print glazen structuren met nanoschaalprecisie en bereikt bijna 100% reflectie in het zichtbare spectrum. Dit prestatieniveau is zeldzaam voor materialen met lage refractieve index zoals silica, en het opent een bredere rol voor glas in nanofotonen, inclusief in draagbare optica, geïntegreerde displays en sensoren.

De doorbraak van de onderzoekers wordt mogelijk gemaakt door een nieuw materiaal dat Glass-Nano wordt genoemd: een fotocabele hars gemaakt door het mengen van siliciumbevattende moleculen met andere lichtgevoelige organische verbindingen.

In tegenstelling tot conventionele benaderingen die afhankelijk zijn van silica-nanodeeltjes-vaak resulterend in korrelige structuren met lage resolutie-geneest Glass-Nano soepel en samentrekt uniform tijdens het verwarmen, transformerend in helder, robuust glas. Wanneer gedrukt met behulp van twee-foton lithografie, krimpen deze polymeerstructuren tijdens het sinteren bij 650 ° C, waardoor hun vorm wordt behouden en nanoschaalkenmerken zo klein als 260 nanometers behalen.

“In plaats van te beginnen met silica-deeltjes, werkten we met siliciumdragende moleculen in de harsformulering”, legt Prof Yang uit. “Deze hars stelt ons in staat om nanostructuren op te bouwen met veel fijnere details en soepelere oppervlakken dan voorheen mogelijk. We converteren ze vervolgens in glas met behulp van ons ‘print-and-shrink’-proces zonder trouw op te offeren.”

Het team concentreerde hun fabricage op fotonische kristallen (PHC’s) – kunstmatig gestructureerde materialen met herhalende patronen die interageren met specifieke golflengten van licht. Deze structuren kunnen het licht zeer efficiënt weerspiegelen, maar alleen indien gebouwd met extreme regelmaat en precisie. Eerdere inspanningen om te realiseren dat lage index 3D PHC’s consequent tekortschieten, vertonen alleen slechte reflectie als gevolg van structurele onregelmatigheden en verstoringen.

Met hun nieuwe methode overwonnen de onderzoekers deze beperkingen. Door meer dan 20 strak gestapelde lagen af ​​te drukken en de ontwerpgeometrie te verfijnen, bereikten ze een structureel zeer uniform, diamantachtig fotonisch kristal dat bijna 100% invallende licht weerspiegelt binnen een breed scala van kijkhoeken.

“Het resultaat was onverwacht,” deelde Dr. Wang Zhang, Sutd Research Fellow en eerste auteur van de krant. “Historisch gezien werden lage indexmaterialen zoals silica voor dit doel als optisch zwak gezien. Maar onze bevindingen laten zien dat ze met voldoende uniformiteit en structurele controle de verwachtingen kunnen overtreffen-en zelfs concurrerende high-index materialen in reflectie.”

Belangrijk is dat de optische metingen van het team nauw aansluiten bij theoretische simulaties van de fotonische bandstructuur. De gefabriceerde structuren komen niet alleen overeen met de belangrijkste verwachte reflectiepieken, maar hebben ook fijnere spectrale details voorspeld door modellen.

“Zelfs kleine spectrale reflectiefuncties-zo klein dat we oorspronkelijk vermoedden dat het meetartefacten mogelijk zijn-wijzigen goed af met berekende voorspellingen van staande golfoscillaties,” zei universitair hoofddocent Thomas Christensen, een co-auteur van het artikel van het Department of Electrical and Photonics Engineering aan de technische universiteit van Denemarken.

Het behoud van de structurele vorm tijdens het dramatische krimpproces was geen kleine prestatie.

“Op het macroschaal zou de krimp als deze de structuur instorten,” voegde Dr. Zhang eraan toe. “Maar op het nanoschaal helpt de hoge oppervlakte-volume-verhouding daadwerkelijk de stabiliteit te behouden. Onze harsformulering, ontworpen met meerdere crosslinkers en een siliciumrijke voorloper, zorgt voor zowel de afdrukbaarheid als de mechanische robuustheid die nodig is om de warmtebehandeling te overleven.”

De implicaties gaan verder dan reflectie. Omdat het harsformulerings- en fabricageproces compatibel zijn met standaard nanoprinting -tools, kunnen deze glazen PHC’s worden geïntegreerd in verschillende apparaten. De pigmentvrije structurele kleuren die bijvoorbeeld door de kristallen worden geproduceerd, kunnen worden gebruikt in displays die minder vermogen verbruiken. Ze bieden ook een modelsysteem voor het verkennen van toekomstige fotonische kristallen geometrieën die licht op nieuwe manieren leiden, waaronder spiraalvormig en robuust randtransport in topologische systemen.

“Met de mogelijkheid om de geometrie van niet alleen een volledig kristal, maar individuele eenheidscellen in dat kristal te fabriceren en te regelen, lijken demonstraties van golfgeleiders en holtes in 3D -fotonische kristallen bij zichtbare en telecomfrequenties haalbaar, wat een zeer opwindende vooruitzichten is,” zegt Associate Prof. Christensen.

Vooruitkijkt, verbreedt het team de mogelijkheden van het Glass-Nano-platform. Ze onderzoeken hybride harsen die licht-emitterende of niet-lineaire eigenschappen bevatten, en onderzoeken snellere, grootgebied afdrukmethoden om de productie te schalen. Tegelijkertijd worden nieuwe geometrieën bestudeerd om de grenzen van lichte manipulatie te verleggen.

“Met de mogelijkheid om nanostructuren met hoge resolutie af te drukken in zowel lage als hoog-index diëlektrica, wenden we ons nu tot toepassingen waar 3D-optische componenten de transmissieverliezen kunnen verminderen en efficiëntere fotonische systemen mogelijk maken,” zei prof. Yang.