下一代光学器件只需两分钟的烹饪时间

下一代光学器件只需两分钟的烹饪时间

光学电路被设置为革新许多设备的性能。它们不仅比电子电路快10-100倍,而且耗电量也少得多。在这些电路中,光波由称为超表面的非常薄的表面控制,这些表面集中了光波,并根据需要引导光波。超表面包含有规则间隔的纳米颗粒,可以在亚微米波长尺度上调制电磁波。

图像说明:柔性光子电路和超薄光学的关键组成部分之一是超表面。EPFL的工程师们现在发现了一种简单的方法,可以在几分钟内制造出这些表面,而无需使用已经用于制造的方法建造一个干净的房间。他们的发现刚刚发表在《自然纳米技术》上。

超表面可以使工程师们制造出许多应用领域的柔性光子电路和超薄光学器件,从柔性平板电脑到具有增强光吸收特性的太阳能电池板。它们还可以用来制造可直接放置在患者皮肤上的灵活传感器,例如,用来测量脉搏和血压,或者检测特定的化学成分。

关键是,使用传统的方法——光刻法来制造超表面,是一个需要在洁净室中完成的精密、长达数小时的过程。但是来自光子材料和光纤器件实验室(FIMAP)的EPFL工程师们现在已经开发出一种简单的方法,可以在低温下,甚至在室温下,在几分钟内制造出它们,而不需要一个干净的房间。EPFL的工程方法学院生产的介电玻璃超表面可以是刚性的或柔性的。他们的研究成果出现在自然纳米技术中。

把软弱变为坚强

新方法采用了流体力学中已经使用的自然过程:去湿。当材料的薄膜沉积在基底上然后加热时,就会发生这种情况。热使薄膜收缩并分裂成微小的纳米颗粒。“去湿被认为是制造业的一个问题,但我们决定利用它为我们的优势,”该研究的主要作者、Fimap的负责人Fabien Sorin说。

通过他们的方法,工程师们第一次能够创造出介电玻璃超表面而不是金属超表面。介电超表面的优点是,它们吸收很少的光,具有很高的折射率,从而可以有效地调节通过它们传播的光。

为了构建这些超曲面,工程师们首先创建了一个具有所需结构的基底。然后他们在这种情况下沉积了一种材料,硫系玻璃,薄膜只有几十纳米厚。随后将基板加热几分钟,直到玻璃变得更具流动性,并且纳米粒子开始以基板纹理所决定的大小和位置形成。

工程师的方法是如此有效,它可以产生高度复杂的超表面与几个层次的纳米粒子或阵列的纳米粒子间隔10纳米。这使得超表面对环境条件的变化非常敏感,例如检测到甚至非常低浓度的生物制品的存在。“这是第一次用去湿法制作玻璃超表面。优势在于,我们的超表面是光滑和规则的,可以很容易地在大表面和柔性基板上生产,”Sorin说。

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