打破光學(xué)的規(guī)則 - 工程師在納米尺度上操縱光線
發(fā)布時間：2022-10-24 1069人看過
如果你要打破規(guī)則，就要確保每個人都看到它。這就是萊斯大學(xué)工程師的目標(biāo)，他們試圖用新的技術(shù)加強虛擬現(xiàn)實、3D顯示和一般光學(xué)技術(shù)的屏幕。莫斯規(guī)則（Moss rule）描述了一種材料的光學(xué)吸收和它如何折射光線之間的權(quán)衡，這一規(guī)則已經(jīng)被萊斯大學(xué)喬治-R-布朗工程學(xué)院的電氣和計算機工程副教授Gururaj Naik和應(yīng)用物理學(xué)研究生項目校友Chloe Doiron打破。
他通過開發(fā)一種在納米級操縱光的方法完成了這一創(chuàng)舉，這似乎更像是一個準(zhǔn)則而不是規(guī)則，因為確實存在少數(shù)"超級莫斯"半導(dǎo)體，其中之一是黃鐵礦，通常被稱為愚人金。
奈克、Doiron和共同作者Jacob Khurgin（約翰霍普金斯大學(xué)電氣和計算機工程教授）發(fā)現(xiàn)黃鐵礦作為納米光子材料的效果特別好。他們最近在《先進光學(xué)材料》雜志上發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，這可能會帶來更好更小的可穿戴電子產(chǎn)品。
萊斯大學(xué)創(chuàng)建的黃鐵礦元表面的掃描電子顯微鏡圖像，以測試其超越莫斯規(guī)則的能力，該規(guī)則描述了材料的光學(xué)吸收和它如何折射光線之間的權(quán)衡。這項研究顯示了改善虛擬現(xiàn)實和3D顯示的屏幕以及一般光學(xué)技術(shù)的潛力。
更重要的是，他們已經(jīng)開發(fā)出一種技術(shù)，用于發(fā)現(xiàn)違背莫斯規(guī)則的材料，并為顯示器和傳感應(yīng)用提供有利的光處理特性。
"在光學(xué)領(lǐng)域，我們?nèi)匀痪窒抻诤苌俚牟牧希?quot;奈克說。"我們的周期表真的很小。但是有很多材料根本不為人所知，只是因為我們還沒有發(fā)展出任何關(guān)于如何找到它們的見解。這就是我們想要展示的東西。"有一些物理學(xué)可以在這里應(yīng)用，以列出材料的短名單，然后幫助我們尋找那些可以讓我們達到任何工業(yè)需求的材料。"
"比方說，我想設(shè)計一個LED或波導(dǎo)，工作在一個特定的波長，比如說1.5微米，"奈克說。"對于這個波長，我想要最小的波導(dǎo)，它有最小的損耗，這意味著它能最好地限制光線。"
選擇一種在該波長下具有最高折射率的材料通常會保證成功，這通常是對所有納米級光學(xué)設(shè)備的要求，材料必須有一個略高于感興趣的波長的帶隙，因為那是我們開始看到較少的光線通過的地方。
"硅的折射率約為3.4，是黃金標(biāo)準(zhǔn)，"奈克說。"但我們開始問，我們是否可以超越硅，達到5或10的指數(shù)？"
這促使他們尋找其他的光學(xué)選擇。為此，他們開發(fā)了他們的公式來識別超莫斯電介質(zhì)。
"在這項工作中，我們給了人們一個配方，可以應(yīng)用于公開的材料數(shù)據(jù)庫來識別它們，"奈克說。研究人員在將他們的理論應(yīng)用于1056種化合物的數(shù)據(jù)庫后，確定了用黃鐵礦進行實驗，在三個帶隙范圍內(nèi)搜索那些具有最高折射率的化合物。三種化合物與黃鐵礦一起被確定為超級莫斯候選，但是黃鐵礦的低成本和在光伏和催化應(yīng)用中的長期使用使它成為實驗的最佳選擇。
奈克說："愚人金傳統(tǒng)上一直在天體物理學(xué)中被研究，因為它通常在星際碎片中被發(fā)現(xiàn)。但是在光學(xué)方面，它卻鮮為人知。"
他指出黃鐵礦已被研究用于太陽能電池，在這種情況下，他們顯示了可見光波段的光學(xué)特性，在那里它顯現(xiàn)出真正的損耗，但這只是一條線索，因為當(dāng)某樣?xùn)|西在可見光頻率下有極大的損耗時，它很可能在近紅外線下有很高的折射率。
因此，實驗室制作了光學(xué)級的黃鐵礦薄膜。對這種材料的測試顯示，其折射率為4.37，帶隙為1.03電子伏特，比莫斯規(guī)則所預(yù)測的性能高出約40%。這很好，但是持續(xù)搜索可以--而且很可能會找到更好的材料，許多候選材料，其中一些甚至還沒有被制造出來。
