Sandia skaber 3-D metasurfaces med optiske muligheder

Metamaterialer findes ikke i naturen, men deres evne til at lave ultratynde linser og ultraeffektive mobiltelefonantenner, bøj lys for at holde satellitter køligere og lad solceller absorbere mere energi, hvilket betyder, at de tilbyder en verden af ​​muligheder.

Dannet af nanostrukturer, der fungerer som "atomer, "arrangeret på et substrat for at ændre lysets vej på måder, som ikke almindeligt materiale kan opnå, disse surrogatstoffer kan manipulere en indkommende lysstråle for at muliggøre oprettelsen af ​​mere effektive versioner af allestedsnærværende, værdifulde enheder - optiske filtre, lasere, frekvensomformere og enheder, der styrer bjælker, for eksempel.

Men omfattende kommerciel brug af metamaterialer er blevet begrænset af de begrænsninger, som materialerne omfatter dem. Metalbaserede metamaterialer er "tabende" (mister energi) ved kortere bølgelængder og kan kun fungere effektivt ved lave frekvenser, f.eks. de radiofrekvenser, der bruges af radar, før de bliver overvældet af deres egen absorption. Silicium udsender ikke lys og kan kun transmittere det i et begrænset bølgelængdeområde på grund af dets snævre arbejdsområde (båndgap). Så ingen af ​​materialeklasser kan skabe et metamateriale, der fungerer inden for de infrarøde og optiske områder, hvor de fleste militære og kommercielle applikationer ville finde sted.

Optiske metamaterialer kommer ind på arenaen

Sandia National Laboratories forskere hjælper med at lede vejen til brugen af ​​III-V halvledere som byggestenene i metamaterialer. (III-V refererer til elementer i disse kolonner i det periodiske system.) Sandia-forskere har offentliggjort tekniske artikler, heraf tre i det forløbne år, om arbejde med materialer som gallium-arsenid og aluminium-arsenid, som er mere effektive end metaller til optiske metamaterialer, med bredere båndgab end silicium. Værket er lovende nok til at være blevet vist på forsiden af ​​to tekniske tidsskrifter.

"Der er meget lidt arbejde på verdensplan med alle dielektriske metamaterialer, der bruger III-V halvledere, "sagde Sandia -forsker Igal Brener, der leder Sandia-arbejdet med forskerne Mike Sinclair og Sheng Liu. "Vores fordel er Sandias store adgang til III-V-teknologi, både i vækst og forarbejdning, så vi kan bevæge os ret hurtigt. "

Blankere end guld

De nye Sandia dielektriske materialer - en slags elektrisk isolator - tilbyder mere end blot effektivitet. De mister lidt indgående energi og kan endda fremstilles i flere lag for at danne komplekse, tredimensionelle meta-atomer, der reflekterer mere lys end skinnende guldoverflader, normalt betragtes som det ultimative inden for infrarød reflektivitet. III-V-materialerne udsender også fotoner, når de ophidses-noget som silicium, som kan afspejle, transmittere og absorbere - kan ikke.

En anden fordel er deres meget variable output, på tværs af farvespektret, så de kan bruges til at udvide laserbølgelængdeområdet eller til at generere "sammenfiltrede fotoner" til kvanteberegning.

Sandias tilgang er også attraktiv for sin relativt enkle metode til dannelse af de kunstige atomer, kendt som resonatorer, det er metamaterialets indvolde.

Oprettet under tilsyn af Liu, meta-atomer er et par hundrede nanometer i diameter og lavet af mange faktiske atomer. En af Liu's forbedringer var at oxidere disse små grupperinger omkring deres omkredse for at skabe lagdelte belægninger med et lavt brydningsindeks, frem for at bruge en dyrere, tidskrævende "flip-chip" limningsproces. Kompleksiteten af ​​tidligere metoder var en hindring for omkostnings- og tidseffektivitet. Andre Sandia -forskere havde tidligere brugt en variant af hans forenkling til at lave lasere, men ikke metamaterialer, han sagde.

Det oxiderede, lavindeksoverflade omgiver kernen med højt indeks "som om vinteren, du har en frakke omkring dig, "Sagde Liu." For at begrænse lyset, du har brug for en høj brydningsindeks-kontrast. "Sagt på en anden måde, indvendigt lys, der støder ind i den lavindekserede oxidoverflade, hæmmes tilbage af brydningsforskellen, så den bevæger sig langs kernen med højt indeks.

Lius Sandia-kollega Gordon Keeler opnåede kontrolleret oxidation ved blot at sætte III-V-materialer i en varm ovn og strømmende vanddamp over prøven. "Det oxiderer med en bestemt hastighed, " siger Liu. "Jo mere materiale, jo længere tid tager det."

De menneskeskabte metaatomer skulptureres på plads under en litografisk proces, der tillader forskere at lave ethvert mønster, de vælger til placeringen af ​​metamaterialekomponenterne. "Vi bruger simuleringer til at styre os, "Sagde Liu. Afstanden bestemmes til en vis grad af størrelsen af ​​de menneskeskabte atomer.

Brudte kubiske nanostrukturer lagrer usædvanligt store mængder energi

Forskerne eksperimenterede med cylindriske og kubiske nanostrukturer, reducere sidstnævnte symmetri for at opnå endnu bedre egenskaber.

"Cylindre er meget lettere at fremstille og kan typisk bruges til konventionelle metaoverflader, " sagde Brener. "Men brudt-symmetri terninger er afgørende for at opnå meget skarpe resonanser. Det er det centrale spørgsmål i avisen."

Ideen om bevidst at reducere symmetrien i en kubisk resonator nanostruktur opstod for fem eller seks år siden, sagde Sinclair, med et serendipitalt design, der tilfældigvis brød den bevidst symmetriske form af meta-atomerne, da holdet forsøgte at efterligne en bestemt fremstillingsfejl.

"Under en Laboratory Directed Research and Development [LDRD] Metamaterials Grand Challenge, da vi først fremstillede kubiske resonatorer i vores bestræbelser på at se, om vi kunne komme ud over mikrobølger til infrarøde og optiske metamaterialer, vi legede med formen af ​​resonatorer for at prøve at simulere effekten af ​​litografiske fejl. I en simulering, vi skar tilfældigvis et hjørne af kuben og pludselig dukkede meget skarpe reflektionsbånd op, " sagde Sinclair.

Forud for den opdagelse, dielektriske resonator-metamaterialer viste kun brede bånd, der ikke fangede meget energi. Forskerne fandt ud af, at de nye skarpe resonanser tillod større energilagring - gavnligt for effektiv frekvenskonvertering, og måske endda til lysemission og lasning.

Efterforskning af den krympede resonator måtte vente på et senere projekt, sponsoreret af Department of Energy's Office of Science. Salvatore Campione, bygger på tidligere arbejde af Lorena Basilio, Larry Warne og William Langston - hele Sandia - brugte elektromagnetiske simuleringer til at opklare præcist, hvordan terningerne fanger lys. Sandias Willie Luk målte kubernes reflekterende egenskaber. En anden LDRD-bevilling støtter i øjeblikket forskning i metamaterialelasing.

"Vi føler, at vi har skabt en temmelig fleksibel platform til mange forskellige slags enheder, "Sagde Sinclair.

Det igangværende arbejde støttes af Sandias John Reno, nationalt kendt for at dyrke ekstremt præcise krystallinske strukturer, der bidrog med III-V wafers.