‘Geperste’ infraroodlicht reist verder en bedekt meer golflengten met dunne films

Onderzoekers hebben technieken verbeterd die dunne films gebruiken om infraroodlicht te comprimeren, wat drie voordelen aantoont die de films nuttiger maken voor praktische toepassingen. De onderzoekers hebben bewezen dat het “geperste” infraroodlicht minstens vier keer verder kan verspreiden dan eerder getoond; dat de technologie een breder scala aan infraroodgolflengten kan “persen” dan eerder aangetoond; en dat de dunne films kunnen worden geïntegreerd in verschillende substraatmaterialen en vormen.

Het papier, “Low Loss Far-Infrared Surface Phonon Polaritons in Suspended Srtio₃ Nanomembranen, “is gepubliceerd in het dagboek Geavanceerde functionele materialen.

Deze vorderingen bouwen voort op eerder werk dat een specifieke klasse van oxidemembranen heeft gevonden, kan infraroodlicht comprimeren – een nuttig kenmerk voor het ontwerpen van nieuwe infrarood beeldvormingstechnologieën. De dunne-film membranen beperken het infraroodlicht veel beter dan bulkkristallen, die de gevestigde technologie zijn voor infraroodlichtbeperking.

“De dunne film die we gebruiken is een kristallijn membraan van strontium-titanaat”, zegt Yin Liu, co-correspondende auteur van een paper over het werk en een universitair docent materiaalwetenschappen en engineering aan de North Carolina State University.

“In ons vorige werk deden we de karakteriseringstests op een siliconensubstraat en ontdekten dat het materiaal fascinerende eigenschappen had, maar leed aan hoog verlies. Met andere woorden, veel van de lichte energie is verloren als hitte, wat betekent dat het licht niet ver kan propageren.”

“We vermoedden dat dit hoge verlies te wijten was aan het siliconensubstraat, in plaats van de strontium-titanaatfilm zelf”, zegt Ruijuan Xu, co-corrigerende auteur en een universitair docent materiaalwetenschappen en engineering aan de NC State.

“Om de intrinsieke kenmerken van de film beter te begrijpen, hebben we de dunne film opgeschort, zodat deze niet in contact was met een substraat en een reeks tests uitgeoefend bij de Advanced Light Source bij Lawrence Berkeley National Laboratory. En er waren twee opwindende resultaten.”

De eerste bevinding was dat het strontium -titanaat een uitzonderlijk laag verlies had, wat betekent dat het licht zich kan voortplanten voor een grotere afstand omdat het zeer weinig energie verliest om te verwarmen.

“Vanuit het oogpunt van efficiëntie is deze dunne film vergelijkbaar met de meest efficiënte polaritonische materialen, wat betekent dat deze films nuttig zullen zijn voor praktische toepassingen”, zegt Liu.

Om polaritonische materialen uit te leggen, moeten we fononen, fotonen en polaritonen definiëren. Fonons en fotonen zijn beide manieren dat energie door en tussen materialen reist. Fononen zijn in wezen golven van energie veroorzaakt door hoe atomen trillen. Fotonen zijn in wezen golven van elektromagnetische energie.

Je kunt fonons beschouwen als eenheden van geluidsenergie, terwijl fotonen eenheden van lichte energie zijn. Fononpolaritonen zijn quasi -deeltjes die optreden wanneer een infraroodfoton is gekoppeld aan een “optische” fonon – het verbieden van een fonon die licht kan uitstoten of absorberen.

De tweede bevinding van de geavanceerde lichtbrontests was dat de dunne film veel infrarood licht kon beperken, evenals mid-infrarood licht.

“Toen we het strontium-titanaat op een siliconensubstraat testten, kon het alleen midden-infrarood licht persen”, zegt Xu. “We wisten dat het theoretisch veel infrarood licht kon beperken, maar we hebben nu het experimentele bewijs om het te bewijzen.”

“Het vermogen om veel infrarood licht te beperken is belangrijk vanuit een praktisch standpunt”, zegt Liu. “Het zal bijvoorbeeld nuttig zijn in technische thermische managementtechnologieën om warmte om te zetten in infraroodlicht. En het kunnen werken in een breder scala van infraroodgolflengten breidt ook het nut van deze materialen uit voor het ontwikkelen van moleculaire detectietechnologieën.”

“We denken ook dat dit werk belangrijk is omdat we hebben aangetoond dat je deze dunne films kunt maken en ze kunt toepassen op substraten met verschillende oppervlakte -geometrieën – zoals degene die we gebruikten om de dunne film over lege ruimte op te schorten,” zegt Xu.

“Je zou de dunne film ook rechtstreeks kunnen aanbrengen op een andere substraat dan silicium, zoals materialen waarmee de film zijn intrinsieke ‘lage verlies’ -eigenschappen zou kunnen behouden.

“Ons eerdere werk heeft een nieuwe klasse optische materialen opgezet voor het regelen van licht in infraroodgolflengten, die potentiële toepassingen heeft in fotonica, sensoren en thermisch beheer”, zegt Xu.

“Ons nieuwe werk biedt een dieper inzicht in deze materialen en hun eigenschappen, het verbeteren van ons vermogen om deze materialen te ontwikkelen en in praktische toepassingen op te nemen.”

“Een ander opwindend aspect van deze materialen is dat de techniek die we gebruiken om deze dunne films te maken, schaalbaarder is dan de technieken die worden gebruikt om andere polaritonische materialen te maken”, zegt Liu. “Nogmaals, dit helpt om de weg vrij te maken voor praktisch gebruik.

“We staan ​​open voor het werken met industriële partners die geïnteresseerd zijn in het verkennen van manieren om deze materialen te gebruiken.”

De eerste auteur van de krant is Konnor Koons, een Ph.D. Student bij NC State. De krant werd co-auteur van Reza Ghanbari en Yueyin Wang, Ph.D. Studenten bij NC State; Hans Bechtel en Stephanie Gilbert Corder van Lawrence Berkeley National Laboratory; en Javier Taboada-Gutiérrez en Alexey Kuzmenko van de Universiteit van Genève.