Een optische regel overtreden – Ingenieurs manipuleren licht op nanoschaal

Abstracte deeltjesfysica-technologie

De materialen kunnen een betere controle van licht op nanoschaal mogelijk maken, waardoor nieuwe mogelijkheden voor weergavetechnologieën ontstaan.

Een door Rice-ingenieurs ontwikkelde formule identificeert materialen voor 3D-displays en virtual reality.

Als je een regel met stijl overtreedt, zorg er dan voor dat iedereen het ziet. Dat is het doel van de ingenieurs van Rice University, die schermen voor virtual reality, 3D-schermen en optische technologieën in het algemeen willen verbeteren.

De Moss-regel, die een afweging beschrijft tussen de optische absorptie van een materiaal en hoe het licht breekt, is overtreden door Guuraj Naik, een universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan de Rice’s George R. Brown School of Engineering, en Applied Physics Graduate Programma-alumna Chloe Doiron. Hij deed dit door een methode te ontwikkelen om licht op nanoschaal te manipuleren die de Moss-regel overtreedt.

Het lijkt meer een richtlijn dan een regel te zijn, aangezien er een handvol „super-Mossiaanse“ halfgeleiders bestaat. Een daarvan is ijzerpyriet, algemeen bekend als het goud van de dwaas.

Naik, Doiron en co-auteur Jacob Khurgin, een professor in elektrische en computertechniek aan de Johns Hopkins University, ontdekten dat ijzerpyriet bijzonder goed werkt als nanofotonisch materiaal. Ze publiceerden onlangs hun bevindingen in het tijdschrift Geavanceerde optische materialen wat zou kunnen leiden tot betere en kleinere displays voor draagbare elektronica.

IJzerpyriet metaoppervlak

Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van een meta-oppervlak van ijzerpyriet, gemaakt aan de Rice University om het vermogen ervan te testen om de Moss-regel te overstijgen, die een wisselwerking beschrijft tussen de optische absorptie van een materiaal en hoe het licht breekt. Het onderzoek toont aan dat er mogelijkheden zijn om schermen voor virtual reality en 3D-schermen te verbeteren, samen met optische technologieën in het algemeen. Krediet: het Naik Lab/Rice University

Wat nog belangrijker is, ze hebben een techniek ontwikkeld voor het ontdekken van materialen die de Moss-regel trotseren en gunstige lichtbehandelingseigenschappen bieden voor displays en detectietoepassingen.

„In de optica zijn we nog steeds beperkt tot zeer weinig materialen,“ zei Naik. “Ons periodiek systeem is erg klein. Maar er zijn zoveel materialen die gewoon onbekend zijn, gewoon omdat we geen inzicht hebben ontwikkeld hoe we ze kunnen vinden. Dat is wat we wilden laten zien: er is natuurkunde die hier kan worden toegepast om de materialen op de shortlist te zetten, en ons vervolgens te helpen zoeken naar die materialen die ons kunnen helpen bij wat de industriële behoeften ook zijn,“ zei hij.

„Laten we zeggen dat ik een LED of een golfgeleider wil ontwerpen die werkt op een bepaalde golflengte, bijvoorbeeld 1,5 micrometer,“ zei Naik. „Voor deze golflengte wil ik de kleinst mogelijke golfgeleider, die het kleinste verlies heeft, wat betekent dat die het licht het beste kan beperken.“

Het kiezen van een materiaal met de hoogst mogelijke brekingsindex bij die golflengte zou volgens Moss normaal gesproken succes garanderen. „Dat is over het algemeen de vereiste voor alle optische apparaten op nanoschaal,“ zei hij. “De materialen moeten een bandgap hebben die iets boven de betreffende golflengte ligt, want daar beginnen we minder licht door te zien.

„Silicium heeft een brekingsindex van ongeveer 3,4 en is de gouden standaard“, zei Naik. „Maar we begonnen te vragen of we verder konden gaan dan silicium tot een index van 5 of 10.“

Dat leidde tot hun zoektocht naar andere optische opties. Daarvoor ontwikkelden ze hun formule om super-Mossische diëlektrica te identificeren.

„In dit werk geven we mensen een recept dat kan worden toegepast op de openbaar beschikbare database met materialen om ze te identificeren,“ zei Naik.

De onderzoekers besloten tot experimenten met ijzerpyriet nadat ze hun theorie hadden toegepast op een database van 1.056 verbindingen, waarbij ze in drie bandgap-bereiken zochten naar die met de hoogste brekingsindices. Drie verbindingen samen met pyriet werden geïdentificeerd als super-Mossian-kandidaten, maar de lage kosten en het lange gebruik van pyriet in fotovoltaïsche en katalytische toepassingen maakten het de beste keuze voor experimenten.

„Fool’s gold is van oudsher bestudeerd in de astrofysica omdat het vaak wordt aangetroffen in interstellair puin,“ zei Naik. „Maar in de context van optica is het weinig bekend.“

Hij merkte op dat ijzerpyriet is onderzocht voor gebruik in zonnecellen. „In die context toonden ze optische eigenschappen in de zichtbare golflengten, waar het echt lossy is,“ zei hij. „Maar dat was een aanwijzing voor ons, want als iets extreem lossy is in de zichtbare frequenties, zal het waarschijnlijk een zeer hoge brekingsindex hebben in het nabij-infrarood.“

Dus het lab maakte ijzerpyrietfilms van optische kwaliteit. Tests van het materiaal onthulden een brekingsindex van 4,37 met een bandafstand van 1,03 elektronvolt, wat de prestatie voorspeld door de Moss-regel met ongeveer 40% overtrof.

Dat is geweldig, zei Naik, maar het zoekprotocol kan – en zal waarschijnlijk – materialen vinden die nog beter zijn.

„Er zijn veel kandidaten, waarvan sommige niet eens zijn gemaakt,“ zei hij.

Referentie: „Super-Mossian Dielectrics for Nanophotonics“ door Chloe F. Doiron, Jacob B. Khurgin en Gururaj V. Naik, 6 september 2022, Geavanceerde optische materialen.
DOI: 10.1002/adom.202201084

De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Army Research Office.

Kommentar verfassen

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert