Исследователи из Делфтского технического университета и Университета Радбауд (Нидерланды) обнаружили, что двумерный сегнетоэлектрический материал CuInP₂S₆ (CIPS) может управлять путями и свойствами синего и ультрафиолетового света как никакой другой материал.
Ультрафиолетовый свет — основа современного производства микросхем
Ультрафиолетовый свет является основой современного производства микросхем, микроскопии высокого разрешения и оптических коммуникационных технологий нового поколения. Улучшение контроля над таким светом на чипах жизненно важно. Как описывают исследователи в журнале Advanced Optical Materials, CIPS можно интегрировать в микросхемы, открывая новые возможности для интегральной фотоники.
Особенности материала CIPS
CIPS — это атомарно-слоистый сегнетоэлектрический материал, который означает, что он имеет встроенный внутренний электрический диполь из-за смещения ионов меди, которые также могут перемещаться внутри структуры.
Команда из Делфта и Неймегена обнаружила, что такое сегнетоэлектрическое поведение, зависящее от толщины, можно использовать для достижения зависящего от толщины показателя преломления, который является мерой того, насколько кристалл замедляет и преломляет свет.
Первый автор статьи Хуссам Эль Мрабет Хадже говорит: «Переходя от объёмного материала к слою толщиной всего в несколько десятков нанометров, показатель преломления CIPS изменился почти на 25% неожиданным, «аномальным» образом».
Гигантское двулучепреломление в сине-ультрафиолетовом диапазоне
Наиболее поразительно то, что команда также обнаружила, что CIPS демонстрирует гигантское двулучепреломление в сине-ультрафиолетовом диапазоне: свет, проходящий вне плоскости через кристалл, испытывает совсем другой показатель преломления, чем свет, проходящий в плоскости. На длинах волн около 340 нанометров (ближний ультрафиолет) эта разница достигает примерно 1,24 — наибольшее внутреннее двулучепреломление, о котором когда-либо сообщалось в этой части спектра.
Хуссам отмечает: «Это означает, что CIPS может действовать как чрезвычайно мощный элемент управления поляризацией и фазой для коротковолнового света без необходимости сложного наноструктурирования. Это подтверждает, что CIPS может стать потенциальным переломным моментом для многих применений в фотонике».
Механизм работы внутри кристалла CIPS
Хотя полная картина ещё предстоит определить, команда предлагает новый механизм работы внутри кристалла CIPS. «Свет несёт осциллирующие электрические и магнитные поля; в CIPS эти поля взаимодействуют не только с электронами, но и с внутренним электрическим полем, созданным смещёнными ионами меди. Что делает CIPS таким особенным, так это то, что конфигурация ионов меди, а следовательно, и взаимодействие материала со светом, меняется в зависимости от толщины кристалла. Это позволяет настраивать оптический отклик, просто выбирая правильную толщину CIPS», — объясняет Хуссам.
Мазхар Н. Али, руководитель проекта, заявляет: «CIPS — не единственный материал с такими свойствами. Наше открытие механизма, в котором сегнетоэлектрическая поляризация и подвижные ионы совместно формируют взаимодействие света и вещества, может распространяться на другие сегнетоэлектрические материалы».
Таким образом, работа предлагает более широкий принцип проектирования, при котором материалы создаются для содержания подвижных ионов, которые модулируют внутренние поля, чтобы получить новые инструменты для формирования света в широком диапазоне длин волн.
Хуссам заключает: «При дальнейшей работе структуры на основе CIPS могут стать основой для настраиваемых компонентов УФ/синего цвета для интегральной электрооптики, управляемых не только электронами, но и движением ионов внутри кристалла толщиной всего в миллиардные доли метра».
Предоставлено Делфтским техническим университетом.