0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Создано самое тонкое оптическое устройство в мире

Создана самая тонкая оптическая линза в мире

Группа ученых из австралийского Национального университета (Australian National University, ANU), возглавляемая доктором Юеруи Лью (Dr Yuerui Lu) добилась успеха в создании того, что можно назвать самой тонкой в мире оптической линзой. Толщина этой линзы составляет одну двухтысячную долю от толщины человеческого волоса, а изготовлена она из кристалла бисульфита молибдена — вещества, обладающего при некоторых условиях, целым набором уникальных оптических свойств. Следует отметить, что данное достижение может стать основой для создания миниатюрных оптических систем высококачественных камер для смартфонов, других портативных электронных устройств, гибких дисплеев и многого другого.

Рассказывает доктор Лью:

Материал этого типа уже некоторое время является перспективным подспорьем для электроники будущего поколения, поскольку может послужить заменой традиционному кремнию. Теперь мы открыли его новую сторону. Используя свойства тонкопленочного дисульфида молибдена, мы сможем создавать сложные оптические системы, подражающие строению и функционированию фасетчатых глаз насекомых

Толщина линзы из дисульфида молибдена составляет всего 6.3 нанометра, что намного меньше толщины ультратонких линз предыдущего поколения, изготовленных из метаматериала на основе золотых «нанокирпичиков» — их толщина составляла 50 нанометров.

Группе доктора Лью удалось изготовить кристаллы дисульфида молибдена, толщиной 6.3 нанометра, что соответствует толщине 9 атомных слоев. Из этой тонкой пленки лазером была вырезана заготовка круглой линзы, радиусом 10 микрон. Затем при помощи сфокусированного ионного луча, позволяющего «сбривать» с поверхности слои атомов, линзе была придана округлая форма.

Оказалось что слой дисульфида молибдена толщиной 0.7 нанометров оказывает на свет сильное преломляющее воздействие — такое же, как и линзы из других материалов, толщиной минимум в 38 нанометров. Этот эффект возникает за счет явления дифракции и вмешательства атомов материала в фазу фотонов света.

«Мы сначала не смогли определить, почему дисульфид молибдена имеет столь удивительные свойства» — рассказывает доктор Лью. — Чтобы выяснить это, разработали математическую модель, которая показала, что из-за высокого коэффициента преломления свет многократно отражается от внутренних поверхностей линзы, проходя в ее среде гораздо большую дистанцию, нежели ее толщина».

Проведенные исследования и расчеты показали, что коэффициент преломления света тонкой пленкой дисульфида молибдена, который и определяет силу воздействия этого материала на свет, имеет высокое значение и равен 5.5. Для сравнения, блистающие алмазы имеют коэффициент преломления в 2.4, а коэффициент преломления воды составляет 1.3.

Рассказывает доктор Лью:

Дисульфид молибдена — удивительный материал. Он выдерживает воздействие высоких температур, является полупроводником и способен излучать фотоны света. Мы открыли его способность управлять потоком света на атомарном уровне, и это станет началом процесса беспрецедентной миниатюризации оптических компонентов и их интеграции в структуру традиционных полупроводниковых чипов

Читать еще:  Пыль становится все более «антибактериальной» и опасной

Создано самое тонкое оптическое устройство в мире

Создано самое тонкое оптическое устройство в мире

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали самое тонкое оптическое устройство в мире — волновод толщиной всего в три атома.

Оптический волновод — это физическая конструкция, которая проводит электромагнитные волны оптического спектра. При этом поток мощности, переносимый волной, сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу. Основной механизм работы оптического волновода таков: когда свет проходит через фотонный кристалл, он попадает внутрь и направляется вдоль плоскости посредством полного внутреннего отражения.

Оптические волноводы являются важнейшими компонентами систем передачи данных, однако их масштабирование до наноразмеров до сих пор остается сложной задачей, несмотря на достижения в области нанооптики и наноматериалов.

На этом пути дальше всех продвинулись специалисты Калифорнийского университета в Сан-Диего. Созданный ими волновод имеет толщину примерно в шесть ангстрем — это более чем в 10000 раз тоньше, чем обычное оптическое волокно, и примерно в 500 раз тоньше, чем встроенные оптические волноводы в интегральных фотонных схемах.

Волновод состоит из монослоя дисульфида вольфрама (состоящего из одного слоя атомов вольфрама, расположенного между двумя слоями атомов серы), закрепленного на кремниевой рамке. Монослой также имеет массив наноразмерных отверстий, образующих фотонный кристалл.

Что особенного в этом монослойном кристалле, так это то, что он поддерживает связанные состояния электрона и дырки , известные как экситоны, при комнатной температуре. Эти экситоны генерируют сильный оптический отклик, обеспечивая кристаллу показатель преломления примерно в четыре раза больше, чем у воздуха, который окружает его поверхность. Никакой другой материал с такой же толщиной не имел бы столь высокого показателя. Еще одна особенность волновода заключается в том, что он переносит свет в видимом спектре, что очень сложно было осуществить в таком тонком материале.

Для создания волновода исследователи использовали передовые методы микро- и нанофабрикации. Процесс начинается с создания тонкой мембраны из нитрида кремния на кремниевой рамке. Это подложка, на которой построен волновод. Далее в мембране формируется массив наноразмерных отверстий. Затем на мембрану наносится монослой кристалла дисульфида вольфрама. После этого ионы посылаются через мембрану, чтобы вытравить ту же схему отверстий в кристалле.

На последнем этапе мембрана из нитрида кремния осторожно вытравливается, оставляя кристалл подвешенным на кремниевой рамке. В результате получается оптический волновод, в котором ядро ​​состоит из однослойного фотонного кристалла дисульфида вольфрама, окруженного материалом (воздухом) с более низким показателем преломления.

Читать еще:  Смертельный грибок распространяется из-за изменения климата

Такое устройство расширяет возможности миниатюризации оптоэлектронных приборов и проверки фундаментальных физических концепций.

Создана самая тонкая оптическая линза в мире

Группа ученых из австралийского Национального университета (Australian National University, ANU), возглавляемая доктором Юеруи Лью (Dr Yuerui Lu) добилась успеха в создании того, что можно назвать самой тонкой в мире оптической линзой. Толщина этой линзы составляет одну двухтысячную долю от толщины человеческого волоса, а изготовлена она из кристалла бисульфита молибдена — вещества, обладающего при некоторых условиях, целым набором уникальных оптических свойств. Следует отметить, что данное достижение может стать основой для создания миниатюрных оптических систем высококачественных камер для смартфонов, других портативных электронных устройств, гибких дисплеев и многого другого.

Рассказывает доктор Лью:

Материал этого типа уже некоторое время является перспективным подспорьем для электроники будущего поколения, поскольку может послужить заменой традиционному кремнию. Теперь мы открыли его новую сторону. Используя свойства тонкопленочного дисульфида молибдена, мы сможем создавать сложные оптические системы, подражающие строению и функционированию фасетчатых глаз насекомых

Толщина линзы из дисульфида молибдена составляет всего 6.3 нанометра, что намного меньше толщины ультратонких линз предыдущего поколения, изготовленных из метаматериала на основе золотых «нанокирпичиков» — их толщина составляла 50 нанометров.

Группе доктора Лью удалось изготовить кристаллы дисульфида молибдена, толщиной 6.3 нанометра, что соответствует толщине 9 атомных слоев. Из этой тонкой пленки лазером была вырезана заготовка круглой линзы, радиусом 10 микрон. Затем при помощи сфокусированного ионного луча, позволяющего «сбривать» с поверхности слои атомов, линзе была придана округлая форма.

Оказалось что слой дисульфида молибдена толщиной 0.7 нанометров оказывает на свет сильное преломляющее воздействие — такое же, как и линзы из других материалов, толщиной минимум в 38 нанометров. Этот эффект возникает за счет явления дифракции и вмешательства атомов материала в фазу фотонов света.

«Мы сначала не смогли определить, почему дисульфид молибдена имеет столь удивительные свойства» — рассказывает доктор Лью. — Чтобы выяснить это, разработали математическую модель, которая показала, что из-за высокого коэффициента преломления свет многократно отражается от внутренних поверхностей линзы, проходя в ее среде гораздо большую дистанцию, нежели ее толщина».

Проведенные исследования и расчеты показали, что коэффициент преломления света тонкой пленкой дисульфида молибдена, который и определяет силу воздействия этого материала на свет, имеет высокое значение и равен 5.5. Для сравнения, блистающие алмазы имеют коэффициент преломления в 2.4, а коэффициент преломления воды составляет 1.3.

Рассказывает доктор Лью:

Дисульфид молибдена — удивительный материал. Он выдерживает воздействие высоких температур, является полупроводником и способен излучать фотоны света. Мы открыли его способность управлять потоком света на атомарном уровне, и это станет началом процесса беспрецедентной миниатюризации оптических компонентов и их интеграции в структуру традиционных полупроводниковых чипов

ioi

С миру по нитке

Разработчики современных оптических устройств всеми силами пытаются сделать эти устройства все меньшими и меньшими. Их конечной целью является создание интегрированных фотонных чипов, размеры которых будут сопоставимы с размерами обычных кремниевых полупроводниковых чипов, что, в свою очередь, должно привести к появлению вычислительных систем, обладающих высоким быстродействием, и устройств хранения информации, обеспечивающих высокий показатель плотности записи.

Читать еще:  Плотоядная бактерия оказалась не тем, что думали раньше

Одним из ключевых компонентов любой оптической системы является оптический волновод, световод, который выполняет такую же самую функцию, как токопроводящие дорожки и шины в обычной электронике. И попытки миниатюризации этого компонента наталкиваются на ряд трудностей, связанных с ограничениями, накладываемыми законами физики.

Самые миниатюрные световоды, которые удавалось сделать до последнего времени, имеют толщину 200-300 нанометров. Но исследователям из Калифорнийского университета в Сан-Диего удалось подобрать материал и изготовить из него работающий световод, состоящий из трех атомарных слоев, другими словами, его толщина равна около шести ангстремов (ангстрем – это одна 10-я часть нанометра). Таким образом, новый световод является более чем в 500 раз тонким, чем световоды, используемые в настоящее время.

Ключевым моментом во всем этом деле стал материал из семейства переходных металлических дихалькогенидов – дисульфид вольфрама. К этому семейству материалов относятся вещества состоящие из одного из 15 переходных металлов и одного из трех видов семейства халькогенов – серы, селена или теллура. Около пяти лет назад ученые обнаружили, что использование таких материалов позволяет сделать канал затвора транзисторов тоньше, чем 1 нанометра.

Одним из отличительных свойств дисульфида вольфрама является то, что даже в монослое этого материала при комнатной температуре формируются достаточно стабильные квазичастицы, состоящие из связанных электрона и электронной дырки, так называемые экситоны. В дополнение к этому, монослой дисульфида вольфрама способен проводить свет видимого диапазона, и этот материал стал первым в истории науки, при столь малой толщине обеспечивающим работу со светом видимого диапазона.

Конечно, изготовление световодов из материала трехатомной толщины является очень сложной задачей с технологической точки зрения. Любые даже макроскопические силы приводят к разрушению хрупкого материала, но исследователи нашли способ работы с ним, используя так называемые расходный шаблон, который удаляется на самом конечном этапе производственного процесса. Этот шаблон представляет собой тонкую мембрану из нитрида кремния, поддерживаемую крошечными кремниевыми структурами. Все это служит основанием, на котором “возводится” структура световода. После завершения создания структуры световода нитрид кремния удаляется, оставляя после себя на кремниевом основании структуру из чистого кристаллического дисульфида вольфрама.

Ученым пока удалось изготовить лишь несколько образцов самых тонких световодов на сегодняшний день. Но после того, как будет разработана технология производства высококачественных пленок дисульфида вольфрама в промышленных масштабах, световоды из этого материала быстро найдут практическое применение в коммерческих оптоэлектронных устройствах.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector