Materialene kan gi bedre kontroll over lys på nanoskala, og åpner nye muligheter for skjermteknologier.
En formel utviklet av Rice-ingeniører identifiserer materialer for 3D-skjermer og virtuell virkelighet.
Hvis du skal bryte en regel med stil, sørg for at alle ser den. Det er målet med Rice University ingeniører, som søker å forbedre skjermer for virtuell virkelighet, 3D-skjermer og optiske teknologier generelt.
De Moss styrer, som beskriver en avveining mellom et materiales optiske absorpsjon og hvordan det bryter lys, har blitt brutt av Gururaj Naik, en førsteamanuensis i elektro- og datateknikk ved Rice’s George R. Brown School of Engineering, og alumna Chloe fra Applied Physics Graduate Program. Doiron. Han gjorde dette ved å utvikle en metode for å manipulere lys på nanoskalaen som bryter Moss-regelen.
Det ser ut til å være mer en retningslinje enn en regel siden en håndfull “supermossiske” halvledere eksisterer. En av dem er jernkis, ofte kjent som dårens gull.
Naik, Doiron og medforfatter Jacob Khurgin, professor i elektro- og datateknikk ved Johns Hopkins University, oppdaget at jernkis fungerer spesielt godt som et nanofotonisk materiale. De publiserte nylig funnene sine i tidsskriftet Avanserte optiske materialer som kan føre til bedre og mindre skjermer for bærbar elektronikk.
Et skanningselektronmikroskopbilde av en metaoverflate av jernpyritt laget ved Rice University for å teste dens evne til å overskride Moss-regelen, som beskriver en avveining mellom et materiales optiske absorpsjon og hvordan det bryter lys. Forskningen viser potensial for å forbedre skjermer for virtuell virkelighet og 3D-skjermer sammen med optiske teknologier generelt. Kreditt: Naik Lab/Rice University
Enda viktigere, de har utviklet en teknikk for å oppdage materialer som trosser Moss-regelen og gir fordelaktige lyshåndteringsegenskaper for skjermer og sanseapplikasjoner.
“I optikk er vi fortsatt begrenset til svært få materialer,” sa Naik. “Vårt periodiske system er veldig lite. Men det er så mange materialer som rett og slett er ukjente, bare fordi vi ikke har utviklet noen innsikt i hvordan vi finner dem. Det er det vi ønsket å vise: Det er fysikk som kan brukes her for å kortliste materialene, og deretter hjelpe oss å lete etter de som kan få oss til uansett hva de industrielle behovene er,» sa han.
“La oss si at jeg vil designe en LED eller en bølgeleder som opererer ved en gitt bølgelengde, si 1,5 mikrometer,” sa Naik. “For denne bølgelengden vil jeg ha den minste mulige bølgelederen, som har det minste tapet, noe som betyr at den kan begrense lyset best.”
Å velge et materiale med høyest mulig brytningsindeks ved den bølgelengden vil normalt garantere suksess, ifølge Moss. “Det er generelt kravet for alle optiske enheter på nanoskala,” sa han. “Materialene må ha et båndgap litt over bølgelengden av interesse fordi det er der vi begynner å se mindre lys komme gjennom.
“Silisium har en brytningsindeks på omtrent 3,4, og er gullstandarden,” sa Naik. “Men vi begynte å spørre om vi kunne gå utover silisium til en indeks på 5 eller 10.”
Det fikk dem til å søke etter andre optiske alternativer. For det utviklet de formelen deres for å identifisere super-mossiske dielektriske stoffer.
“I dette arbeidet gir vi folk en oppskrift som kan brukes på offentlig tilgjengelig database med materialer for å identifisere dem,sa Naik.
Forskerne slo seg til ro med eksperimenter med jernkis etter å ha brukt teorien deres på en database med 1056 forbindelser, og søkte i tre båndgap-områder etter de med de høyeste brytningsindeksene. Tre forbindelser sammen med pyritt ble identifisert som super-mossiske kandidater, men pyrittens lave kostnader og lange bruk i fotovoltaiske og katalytiske applikasjoner gjorde det til det beste valget for eksperimenter.
“Fool’s gold har tradisjonelt blitt studert i astrofysikk fordi det er ofte funnet i interstellare rusk,” sa Naik. “Men i forbindelse med optikk er det lite kjent.”
Han bemerket at jernkis har blitt studert for bruk i solceller. “I den sammenhengen viste de optiske egenskaper i de synlige bølgelengdene, hvor det virkelig er tapsmessig,” sa han. “Men det var en ledetråd for oss fordi når noe er ekstremt taps i de synlige frekvensene, vil det sannsynligvis ha en veldig høy brytningsindeks i det nær-infrarøde.”
Så laboratoriet laget filmer av jernkis av optisk kvalitet. Tester av materialet avslørte en brytningsindeks på 4,37 med et båndgap på 1,03 elektronvolt, og overgikk ytelsen forutsagt av Moss-regelen med omtrent 40%.
Det er flott, sa Naik, men søkeprotokollen kan – og vil sannsynligvis – finne materialer som er enda bedre.
“Det er mange kandidater, noen av dem har ikke engang blitt stilt,” sa han.
Referanse: “Super-Mossian Dielectrics for Nanophotonics” av Chloe F. Doiron, Jacob B. Khurgin og Gururaj V. Naik, 6. september 2022, Avanserte optiske materialer.
DOI: 10.1002/adom.202201084
Studien ble finansiert av National Science Foundation og Army Research Office.