Bevordering van lichtregeling: nieuwe kansen voor metasurfaces in de opto-elektronica

Een mondiaal overzicht van de vooruitgang bij het integreren van metasurfaces (dunne vlakke arrays van nanostructuren) in opto-elektronische apparaten benadrukt hun potentieel om technologieën zoals lichtemitterende diodes (LED’s), lasers, optische modulators en fotodetectoren te transformeren. Deze vooruitgang kan de weg vrijmaken voor doorbraken in verschillende sectoren, waaronder augmented en virtual reality (AR/VR), optische communicatie, thermisch beheer, zonne-energie en kwantumtechnologieën.

De review, geleid door onderzoekers van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (A*STAR IMRE) en Stanford University, en in samenwerking met de Nanyang Technological University, Singapore University of Technology and Design, werd gepubliceerd in Wetenschap op 29 november 2024.

Metasurfaces zijn extreem dunne, technische lagen gemaakt van kleine bouwstenen (nanostructuren) die licht nauwkeurig kunnen buigen, reflecteren of veranderen. Deze geavanceerde materialen bieden mogelijkheden voor verbeterde apparaatprestaties. Metasurface-geïntegreerde fotodetectoren kunnen bijvoorbeeld complexere lichtinformatie vastleggen, zoals spectrale en polarisatiegegevens, waardoor vooruitgang wordt geboekt in beeldvormingssystemen en optisch computergebruik. Op dezelfde manier verbeteren metasurfaces bij LED’s de kwantumopbrengsten en maken ze nauwkeurige directionaliteit en kleurcontrole bij LED’s mogelijk.

Door deze veelzijdige materialen te integreren in apparaten zoals LED’s, lasers en fotodetectoren hebben onderzoekers een aanzienlijk potentieel aangetoond voor vooruitgang op het gebied van prestaties, efficiëntie en compactheid.

• AR/VR en beeldschermen: Metasurfaces maken ultracompacte optica met hoge resolutie mogelijk en ondersteunen meer meeslepende en lichtgewicht draagbare apparaten.
• Hernieuwbare energie: Verbeterde lichtabsorptie en energieomzettingsefficiëntie in zonnecellen dragen bij aan verbeterde duurzaamheid.
• Optische communicatie en lasers: Verbeterde straalkwaliteit en polarisatiecontrole maken een snellere en betrouwbaardere gegevensoverdracht mogelijk.
• Sensing en beeldvorming: met Metasurface-compatibele fotodetectoren leggen complexe lichtveldgegevens vast, waardoor de diagnostiek in de gezondheidszorg, milieumonitoring en autonoom transport worden bevorderd.

“Metasurfaces bieden een baanbrekende benadering van lichtmanipulatie, waarbij precisie, veelzijdigheid en compactheid worden gecombineerd”, zegt Dr. Ha Son Tung, Senior Scientist bij A*STAR IMRE. “Dit zou de manier kunnen veranderen waarop industrieën zoals hernieuwbare energie, gezondheidszorg en geavanceerde productie licht gebruiken.”

Toekomstige inspanningen zullen zich richten op het verbeteren van de multifunctionaliteit van metasurfaces, waardoor ze tegelijkertijd optische, elektronische en thermische functies kunnen uitvoeren. Om het opschalen van commerciële toepassingen te vergemakkelijken, streeft het team ernaar schaalbare productietechnieken te ontwikkelen die aansluiten bij de industriestandaarden en materiaalcompatibiliteit garanderen voor naadloze integratie.