Een ongekende prestatie: 3D-fotonische kristallen printen die licht volledig blokkeren

Fotonische kristallen zijn materialen met herhalende interne structuren die op unieke manieren met licht interacteren. We kunnen natuurlijke voorbeelden vinden in opalen en de levendig gekleurde schelpen van sommige insecten. Hoewel deze kristallen zijn gemaakt van transparante materialen, vertonen ze een “fotonische bandgap” die licht op bepaalde golflengten en richtingen blokkeert.

Een speciaal type van dit effect is een “complete fotonische bandgap”, die licht uit alle richtingen blokkeert. Deze complete bandgap maakt nauwkeurige controle van licht mogelijk, wat mogelijkheden opent voor vooruitgang in telecommunicatie, sensing en kwantumtechnologieën. Als gevolg hiervan hebben wetenschappers gewerkt aan verschillende methoden om deze geavanceerde fotonische kristallen te creëren.

Hoewel 1D- en 2D-fotonische kristallen in verschillende toepassingen worden gebruikt, is het ontrafelen van het geheim van de productie van 3D-fotonische kristallen met een volledige fotonische bandgap in het zichtbare bereik gepaard gegaan met een grote uitdaging. Dit komt door de noodzaak om tijdens het fabricageproces alle drie de dimensies op nanoschaal nauwkeurig te kunnen beheersen.

Dit gaat allemaal veranderen. In een studie, “Printing of 3D photonic crystals in titania with complete bandgap across the visible spectrum” gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie, onderzoekers van instituten in Singapore en China hebben een ongekende prestatie geleverd. Onder leiding van professor Joel Yang van de Singapore University of Technology and Design (SUTD) heeft het team een ​​revolutionaire methode ontwikkeld om 3D-fotonische kristallen te printen met behulp van een aangepaste titaniumhars.

In tegenstelling tot eerdere pogingen heeft deze nieuwe methode geresulteerd in kristallen met een hoge resolutie, een hoge brekingsindex en een volledige bandgap over het bereik van zichtbaar licht. De innovatie heeft een enorm potentieel voor het transformeren van industrieën.

“Al tientallen jaren proberen onderzoekers fotonische kristallen te produceren die licht in het zichtbare bereik volledig blokkeren. Deze kristallen kunnen mogelijk worden gebruikt in de uitgebreide 3D-controle van lichtstromen, het gedrag van enkelvoudige foton-emitters en kwantuminformatieverwerking,” aldus Dr. Zhang Wang, SUTD-onderzoeker en eerste auteur van het artikel.

Het SUTD-team fabriceerde hun 3D-fotonische kristal door gebruik te maken van meerdere disciplines zoals materiaalkunde, optica en fabricagetechnieken. Om de kristallen te printen, wendde het team zich tot twee-foton polymerisatie lithografie (TPL), een techniek die wordt gebruikt in additieve productie. Commercieel verkrijgbare harsen die worden gebruikt in TPL-printen zijn gemaakt van organische materialen met een lage brekingsindex. Dit betekende dat het onmogelijk zou zijn voor een geprinte structuur om het volledige spectrum van zichtbaar licht te blokkeren.

Titaniumdioxide is daarentegen een anorganisch materiaal met een zeer hoge brekingsindex. Sterker nog, titaniumdioxide, ook wel bekend als titania, wordt al op andere gebieden gebruikt vanwege zijn optische eigenschappen.

“Het wordt gebruikt vanwege de witmakende eigenschappen die ontstaan ​​door de lichtverstrooiing van titaandioxidedeeltjes en wordt aangetroffen in alledaagse consumentenartikelen zoals tandpasta en zonnebrandcrème en in zelfreinigende oppervlakken”, aldus prof. Yang.

Het team ontwikkelde eerst een op maat gemaakte titaniumhars, printte vervolgens fotonische kristallen met behulp van standaard TPL en verhitte ze vervolgens in de lucht om organische componenten uit de kristallen te verwijderen. Het verhittingsproces oxideerde ook de titaniumionen in de kristallen, waardoor de ionen werden omgezet in titaniumdioxide, oftewel titania.

“De structuur van de kristallen krimpt ongeveer zes keer tijdens het verhittingsproces en de pitch kan na krimp zo klein worden als 180 nm”, aldus Dr. Zhang. De pitch verwijst naar de afstand tussen verschillende lagen in het geprinte kristal; hoe kleiner de pitch, hoe beter de resolutie.

Nadat de fotonische kristallen met succes waren gefabriceerd tot een zeer hoge resolutie, observeerde het team een ​​volledige fotonische bandgap over het zichtbare bereik in deze 3D-structuren. Dit opent veel mogelijkheden: dergelijke structuren kunnen worden gebruikt voor toepassingen zoals kleurgeneratie en golfgeleiders. Bovendien betekent de aanpasbaarheid die inherent is aan TPL dat de geprinte kristallen kunnen worden aangepast voor specifieke doeleinden, zoals door opzettelijke defecten in de structuren te introduceren.

Het onderzoeksteam voorziet bredere toepassingen dan alleen de creatie van 3D-fotonische kristallen. De succesvolle ontwikkeling van deze 3D-printtechniek, waarbij titaniumhars wordt gebruikt om een ​​volledige fotonische bandgap in het zichtbare spectrum te bereiken, vertegenwoordigt een belangrijke doorbraak op het gebied van fotonica.

Volgens Dr. Zhang is het proces veelbelovend als een veelzijdig platform voor het fabriceren van diverse materialen, waaronder glas, keramiek en metalen, op nanoschaal. Deze veelzijdigheid zal naar verwachting nieuwe wegen van verkenning creëren, aangezien onderzoekers experimenteren met verschillende materialen en nanostructuurconfiguraties.

“Deze collaboratieve studie verlegde de grenzen van materiaalkunde en nanofabricatieprocesontwerp en -technologieën”, voegde Prof Yang toe. “Het weerspiegelt ook de missie van SUTD om meerdere disciplines aan te spreken om een ​​positieve impact op de maatschappij te hebben.”