Forskere foreslår nye metoder til at fremskynde kommercialiseringen af ​​metalens teknologi

Metalenses, nano-kunstige strukturer, der er i stand til at manipulere lys, tilbyder en teknologi, der betydeligt kan reducere størrelsen og tykkelsen af ​​traditionelle optiske komponenter. Denne teknologi, som er særlig effektiv i det nær-infrarøde område, lover meget for forskellige applikationer, såsom LiDAR, som kaldes "øjne på den selvkørende bil", miniaturedroner og blodkardetektorer.

På trods af dets potentiale kræver den nuværende teknologi titusindvis af millioner af koreanske won for at fremstille en metalens på størrelse med en fingernegl, hvilket udgør en udfordring for kommercialisering. Heldigvis viser et nyligt gennembrud løfte om at reducere produktionsomkostningerne med en tusindedel af prisen.

Et samarbejdende forskerhold (POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Team), bestående af professor Junsuk Rho fra Institut for Maskinteknik og Institut for Kemiteknik og andre ved Pohang University of Science and Technology (POSTECH), har foreslået to innovative metoder til masseproducerer metalenses og fremstiller dem på store overflader. Deres forskning blev vist i Laser &Photonics Reviews .

Fotolitografi, en proces, der anvendes til fremstilling af metalenses ved at præge mønstre på siliciumwafers ved hjælp af lys, står som et trin i deres fremstilling. Typisk er lysets opløsning omvendt proportional med dets bølgelængde, hvilket betyder, at kortere bølgelængder resulterer i højere opløsning, hvilket muliggør skabelsen af ​​finere og mere detaljerede strukturer. I denne forskning valgte holdet dyb-UV-fotolitografi, en proces, der bruger kortere bølgelængder af ultraviolet lys.

Forskerholdet opnåede for nylig masseproduktion af metalenses til området med synligt lys ved hjælp af dyb ultraviolet fotolitografi, som offentliggjort i Nature Materials . Der dukkede dog udfordringer op, da den eksisterende metode viste lav effektivitet i det infrarøde område.

For at løse denne begrænsning udviklede holdet et materiale med et højt brydningsindeks og lavt tab for det infrarøde område. Dette materiale blev integreret i den etablerede masseproduktionsproces, hvilket resulterede i den vellykkede skabelse af en betydelig infrarød metalen med en diameter på 1 cm på en 8-tommers wafer.

Navnlig har objektivet en bemærkelsesværdig numerisk blænde (NA) på 0,53, hvilket fremhæver dens exceptionelle lysopsamlingsevne sammen med høj opløsning, der nærmer sig diffraktionsgrænsen. Den cylindriske struktur gør den yderligere polarisationsuafhængig, hvilket sikrer fremragende ydeevne uanset retningen af ​​lysets vibration.

I den anden tilgang brugte teamet nano-imprinting, en proces, der muliggør udskrivning af nanostrukturer ved hjælp af en form. Denne proces udnyttede nanoimprint-teknikkens knowhow, akkumuleret gennem forskningssamarbejde med RIST.

Denne bestræbelse viste sig at være vellykket, da holdet formåede at masseproducere en metalens med en diameter på 5 millimeter, bestående af omkring hundrede millioner rektangulære nanostrukturer på en 4-tommers wafer. Især udviste denne metalens en imponerende ydeevne med en blændeåbning på 0,53. Dens rektangulære struktur viste polarisationsafhængige egenskaber og reagerede effektivt på lysets vibrationsretning.

Med udgangspunkt i denne præstation integrerede holdet et billeddannelsessystem i høj opløsning for at observere rigtige prøver såsom løgepidermis, hvilket validerede muligheden for at kommercialisere metalenses.

Denne forskning har betydning, da den overvinder begrænsningerne ved den traditionelle one-by-one metalens-produktionsproces. Det letter ikke kun skabelsen af ​​optiske enheder med både polarisationsafhængige og -uafhængige karakteristika, der er skræddersyet til specifikke applikationer, men reducerer også produktionsomkostningerne for metalenses med op til 1.000 gange.

Professor Junsuk Rho sagde:"Vi har opnået den præcise og hurtige produktion af højtydende metalenses på wafer-skala, når centimeterdimensioner. Vores mål er, at denne forskning skal fremskynde industrialiseringen af ​​metalenses, fremme udviklingen af ​​effektive optiske enheder og optiske teknologier."

Flere oplysninger: Seong‐Won Moon et al., Wafer-Scale Manufacturing of Near‐Infrared Metalenses, Laser &Photonics Reviews (2024). DOI:10.1002/lpor.202300929

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af Pohang University of Science and Technology