Forskere udvikler fleksible, strækbare fotoniske enheder

Forskere ved MIT og flere andre institutioner har udviklet en metode til fremstilling af fotoniske enheder - ligner elektroniske enheder, men baseret på lys frem for elektricitet - der kan bøje og strække sig uden skader. Enhederne kan finde anvendelser i kabler til at forbinde computerenheder, eller i diagnostiske og overvågningssystemer, der kan fastgøres til huden eller implanteres i kroppen bøjer let med det naturlige væv.

Fundene, som involverer brug af en specialiseret slags glas kaldet chalcogenid, er beskrevet i to artikler af MIT lektor Juejun Hu og mere end et dusin andre på MIT, University of Central Florida, og universiteter i Kina og Frankrig. Papiret skal snart offentliggøres Lys:Videnskab og applikationer .

Hu, hvem er Merton C. Flemings lektor i materialevidenskab og teknik, siger, at mange mennesker er interesserede i muligheden for optiske teknologier, der kan strække og bøje, især til applikationer såsom hudmonterede overvågningsanordninger, der direkte kan registrere optiske signaler. Sådanne enheder kan, for eksempel, samtidig registrere puls, iltindhold i blodet, og endda blodtryk.

Fotoniske enheder behandler lysstråler direkte, ved hjælp af systemer af lysdioder, linser, og spejle fremstillet med de samme slags processer, der bruges til fremstilling af elektroniske mikrochips. Brug af lysstråler frem for en strøm af elektroner kan have fordele til mange anvendelser; hvis de originale data er lysbaserede, for eksempel, optisk behandling undgår behovet for en konverteringsproces.

Men de fleste nuværende fotoniske enheder er fremstillet af stive materialer på stive underlag, Hu siger, og dermed have et "iboende mismatch" til applikationer, der "skal være bløde som menneskelig hud." Men de fleste bløde materialer, herunder de fleste polymerer, har et lavt brydningsindeks, hvilket fører til en dårlig evne til at begrænse en lysstråle.

I stedet for at bruge sådanne fleksible materialer, Hu og hans team tog en ny tilgang:De dannede det stive materiale-i dette tilfælde et tyndt lag af en glasart kaldet chalcogenid-til en fjederlignende spole. Ligesom stål kan fås til at strække og bøje, når det formes til en fjeder, arkitekturen i denne glasspole gør det muligt at strække og bøje frit og samtidig bevare sine ønskelige optiske egenskaber.

"Du ender med noget så fleksibelt som gummi, der kan bøje og strække, og har stadig et højt brydningsindeks og er meget gennemsigtigt, "Siger Hu. Tests har vist, at sådanne fjederlignende konfigurationer, fremstillet direkte på et polymersubstrat, kan gennemgå tusindvis af strækcykler uden påviselig forringelse af deres optiske ydeevne. Teamet producerede en række forskellige fotoniske komponenter, forbundet med den fleksible, fjederlignende bølgeledere, alt i en epoxyharpiksmatrix, som blev gjort stivere nær de optiske komponenter og mere fleksibel omkring bølgelederne.

Andre former for strækbar fotonik er blevet fremstillet ved at indlejre nanoroder af et stivere materiale i en polymerbase, men de kræver ekstra fremstillingstrin og er ikke kompatible med eksisterende fotoniske systemer, Siger Hu.

Sådan fleksibel, strækbare fotoniske kredsløb kan også være nyttige til applikationer, hvor enhederne skal passe til de ujævne overflader af noget andet materiale, såsom i belastningsmålere. Optik teknologi er meget følsom over for belastning, ifølge Hu, og kunne detektere deformationer på mindre end en hundrededel af 1 procent.

Denne forskning er stadig i tidlige stadier; Hu's team har hidtil kun demonstreret enkelte enheder ad gangen. "For at det kan være nyttigt, vi skal demonstrere alle komponenterne integreret på en enkelt enhed, "siger han. Der arbejdes løbende på at udvikle teknologien til det punkt, så den kan anvendes kommercielt, som Hu siger kan tage yderligere to til tre år.

I et andet papir, der blev offentliggjort i sidste uge i Natur fotonik , Hu og hans samarbejdspartnere har også udviklet en ny måde at integrere lag af fotonik, fremstillet af chalcogenidglas og todimensionale materialer såsom grafen, med konventionelle halvleder fotoniske kredsløb. Eksisterende metoder til integration af sådanne materialer kræver, at de laves på en overflade og derefter skrælles af og overføres til halvlederpladen, hvilket tilføjer en betydelig kompleksitet til processen. I stedet, den nye proces gør det muligt at fremstille lagene direkte på halvlederoverfladen, ved stuetemperatur, muliggør forenklet fremstilling og mere præcis justering.

Processen kan også gøre brug af chalcogenidmaterialet som et "passiveringslag, "for at beskytte 2-D materialer mod nedbrydning forårsaget af omgivende fugt, og som en måde at kontrollere de optoelektroniske egenskaber ved 2-D-materialer. Metoden er generisk og kan udvides til andre nye 2-D materialer udover grafen, at udvide og fremskynde deres integration med fotoniske kredsløb, Siger Hu.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.