Группа исследователей под руководством SUTD создала наноразмерные стеклянные структуры с почти идеальным отражением, опровергая устоявшиеся представления о том, что могут делать материалы с низким показателем преломления в фотонике.
Традиционно стекло уступало материалам с более высоким показателем преломления
На протяжении десятилетий стекло было надёжным помощником оптических систем, ценилось за прозрачность и стабильность. Но когда дело доходит до управления светом на наноуровне, особенно для высокопроизводительных оптических устройств, стекло традиционно уступало материалам с более высоким показателем преломления.
Теперь группа исследователей под руководством профессора Джоэла Янга из Сингапурского университета технологии и дизайна (SUTD) меняет это представление.
Новый метод 3D-печати стеклянных структур
В журнале Science Advances опубликованы результаты исследования, в котором команда разработала новый метод 3D-печати стеклянных структур с наноразмерной точностью и достижением почти 100% отражения в видимом спектре.
Этот уровень производительности редок для материалов с низким показателем преломления, таких как кремнезём, и открывает более широкую роль для стекла в нанофотонике, включая носимую оптику, интегрированные дисплеи и датчики.
Исследователи создали новый материал под названием Glass-Nano — фотоотверждаемую смолу, изготовленную путём смешивания кремнийсодержащих молекул с другими светочувствительными органическими соединениями.
В отличие от традиционных подходов, в которых используются наночастицы кремнезёма, часто приводящие к зернистым структурам с низким разрешением, Glass-Nano отверждается равномерно и гладко во время нагрева, превращаясь в прозрачное, прочное стекло.
При печати с помощью двухфотонной литографии эти полимерные структуры сжимаются во время спекания при температуре 650 °C, сохраняя свою форму и достигая наноразмерных характеристик размером до 260 нанометров.
«Вместо того чтобы начинать с частиц кремнезёма, мы работали с кремнийсодержащими молекулами в составе смолы», — объяснил профессор Янг. «Эта смола позволяет нам создавать наноструктуры с гораздо более мелкими деталями и более гладкими поверхностями, чем это было возможно ранее. Затем мы преобразуем их в стекло, используя наш процесс „печати и усадки“, не жертвуя точностью».
Прорыв в области фотонных кристаллов
Команда сосредоточила свои усилия на создании фотонных кристаллов (PhC) — искусственно структурированных материалов с повторяющимися узорами, взаимодействующими с определёнными длинами волн света. Эти структуры могут очень эффективно отражать свет, но только если они построены с чрезвычайной регулярностью и точностью.
Предыдущие попытки реализовать трёхмерные PhC с низким показателем преломления постоянно терпели неудачу, демонстрируя лишь слабое отражение из-за структурных неровностей и искажений.
Используя свой новый метод, исследователи преодолели эти ограничения. Печатая более 20 плотно уложенных слоёв и точно настраивая геометрию конструкции, они достигли структурно высокооднородного, алмазоподобного фотонного кристалла, который отражает почти 100% падающего света в широком диапазоне углов обзора.
«Результат был неожиданным», — поделился доктор Ван Чжан, научный сотрудник SUTD и первый автор статьи. «Исторически сложилось так, что материалы с низким показателем преломления, такие как кремнезём, считались оптически слабыми для этой цели. Но наши результаты показывают, что при достаточной однородности и структурном контроле они могут превзойти ожидания — и даже соперничать с материалами с высоким показателем преломления по отражению».
Важно отметить, что оптические измерения команды тесно согласуются с теоретическими симуляциями фотонной зонной структуры. Изготовленные структуры не только соответствуют основным ожидаемым пикам отражения, но и демонстрируют более тонкие спектральные детали, предсказанные моделями.
«Даже крошечные особенности спектрального отражения — настолько маленькие, что мы изначально подозревали, что они могут быть артефактами измерения, — хорошо согласуются с расчётными предсказаниями стоячих волн», — сказал доцент Томас Кристенсен, соавтор статьи из Департамента электротехники и фотоники Технического университета Дании.
Сохранение структурной формы во время резкого процесса усадки было непростым делом. «В макромасштабе такая усадка разрушила бы структуру, — добавил доктор Чжан. — Но в наномасштабе высокое отношение поверхности к объёму фактически помогает сохранить стабильность. Наша рецептура смолы, разработанная с использованием нескольких сшивающих агентов и кремнийсодержащего прекурсора, обеспечивает как возможность печати, так и механическую прочность, необходимую для выдерживания термической обработки».
Перспективы
Возможности платформы Glass-Nano расширяются. Исследователи изучают гибридные смолы, которые включают светоизлучающие или нелинейные свойства, и исследуют более быстрые методы печати на больших площадях для масштабирования производства. Параллельно изучаются новые геометрии для расширения границ манипулирования светом.
«Благодаря возможности печати наноструктур высокого разрешения как в диэлектриках с низким, так и с высоким показателем преломления, мы теперь переходим к приложениям, где трёхмерные оптические компоненты могут снизить потери при передаче и сделать фотонные системы более эффективными», — сказал профессор Янг.
Предоставлено:
[Singapore University of Technology and Design](https://phys.org/partners/singapore-university-of-technology-and-design/)