Forskere kommer på forbrugernes bølgelængde med InSb-teknologi

Teknologien til styring af lysabsorption ved udvalgte bølgelængder i nanostrukturer har fået stor opmærksomhed i de senere år; imidlertid, dynamisk tuning af absorptionsbølgelængder uden også at ændre geometrien af ​​deres struktur har været noget uhåndgribelig. Et nyligt udgivet papir i Videnskabelige rapporter af Dr. Don Gregory, fremtrædende professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved University of Alabama i Huntsville (UAH), og hans ph.d. studerende, Seyed Sadreddin Mirshafieyan, foreslår en løsning til at gøre netop dette.

Deres papir, "Elektrisk afstembare perfekte lysabsorbere som farvefiltre og modulatorer, "teoretiserer, hvordan spænding, når det påføres en nanokavitetsstruktur lavet af et epsilon-nær-nul-materiale (ENZ) såsom indiumantimonid (InSb), giver mulighed for realtidsmanipulation af absorptionsbølgelængder og enhedsfarver, hvilket kan føre til betydelige fremskridt inden for skærme, skifte, sensorer, og spektralanalyse.

Avanceret teknologi inden for farvefiltre bruger det, der er kendt som en Fabry-Perot nanokavitet, der består af tynde halvleder- og metalfilm til at absorbere lys ved udvalgte bølgelængder. Dr. Gregory beskriver denne nanokavitet som analog med at have to spejle, den ene meget reflekterende og den anden delvist transmitteret, med lys, der trænger ind i det delvist transmitterende spejl og preller af det perfekt reflekterende spejl. "Hvis spejlafstanden er den rigtige, du får konstruktiv interferens mellem lys, der rejser i de to forskellige retninger, " siger han. "Det betyder, at du kan vælge, hvilken bølgelængde der bliver reflekteret fra den overflade." Med andre ord, absorptionsbølgelængden – eller farven, der reflekteres tilbage til øjet – styres af tykkelsen af ​​nanokavitet.

Indtil nu, at tykkelsen er blevet bestemt af faste lag indstillet til en bestemt farve eller anden. "Det betyder for et bestemt lag af tykkelse og et bestemt antal lag, du får en bestemt farve reflekteret fra den kombination, Dr. Gregory forklarer. "Du skal ændre tykkelsen af ​​lagene for at få en anden farve, men ideen i dette papir er, at vi kan bygge disse forskellige materialer og elektrisk styre lyset, der reflekteres tilbage. Så vi kunne indstille det til grønt lys, blåt lys, rødt lys ved at ændre spændingen over lagene."

Under Dr. Gregorys opsyn, Mirshafieyan har modelleret en struktur, der kan indstilles elektrisk til forskellige absorptionsbølgelængder, og et første udkast til sin Ph.D. afhandling er afsluttet.

Strukturen består af en ultratynd, nanometertykt ENZ-materiale kaldet InSb og et titaniumdioxid (TiO2) lag klemt mellem to sølvspejle. Den samlede tykkelse af enheden inklusive spejlene, InSb, og TiO2 er mindre end 200 nm, som er 500 gange tyndere end menneskehår. InSb er en III-V halvleder, hvis bærertæthed (når den er doteret) er ideel til elektrisk induceret bærebølgemodulering, få det til at opføre sig mere som et metal under den rigtige påførte spænding. Er opmærksom på adskillige tidligere, men ofte ufuldstændige forsøg på at opnå elektrisk indstillelige perfekte lysabsorbere, Mirshafieyan bemærker, at "forskere har allerede vist, at hvis du ændrer tykkelsen af ​​hulrummet, du kan ændre farven, men det er svært i realtidsvisningsapplikationer, fordi tykkelsen af ​​hver pixel er fast. Vi ønsker at ændre farven på hver pixel dynamisk uden fysisk at ændre tykkelsen af ​​den pixel."

Med disse materialer, brydningsindekset ændres med den doping, der bruges inde i materialet, som Dr. Gregory forklarer er, hvor mange elektroner eller huller du har tilføjet til det grundlæggende halvledermateriale. "Så, du kan ændre dens ledningsevne, dens resistivitet i fremstillingen af ​​materialet, eller du kan gøre det med påført spænding, " siger han. "Du behøver ikke fysisk at ændre adskillelsen mellem spejle." Dette kan være sværere, end det lyder afhængigt af omstændighederne. "Det er nemt nok at gøre det i laboratoriet med to spejle. Vi kan ændre afstanden mellem spejlene, og vi kan få lys i forskellige farver reflekteret, " siger han. "Men at have to spejle, der er fikseret og derefter ændrer brydningsindekset for materialet indeni, elektrisk, i realtid, det er hårdt."

Denne doping betyder også, at der ikke er behov for nanomønster eller skabelse af yderligere eksotiske materialer, og det er denne skelnen, der adskiller Mirshafieyans struktur fra tidligere iterationer, der krævede ændringer i strukturel geometri – en skelnen, der også har konsekvenser for telekommunikationsindustrien.

At være i stand til nemt at ændre brydningsindekset med en lav påført spænding hjælper også med at forklare, hvorfor brugen af ​​InSb i modsætning til at sige, silicium, kan vise sig at være en bedre materiel mulighed i telekommunikations- eller omstillingsindustrien. Påføring af spænding til switches med et aktivt lag af InSb øger bærertætheden, og følgelig permittiviteten, hvilket fører til en større ændring i brydningsindeks. "Det er forskellen mellem slukket og tændt, der virkelig betyder noget, " siger Dr. Gregory. "Vi får meget større forskel mellem slukket og tændt, hvilket betyder, at vi kan køre med en meget lavere fejlrate. Og fejlrate er alt i telekommunikation." Resultatet, derfor, er meget højhastighedsskift.

Silicium, på den anden side, producerer ikke meget ændring i indeks med en påført spænding. Selv med tilføjelsen af ​​andre materialer designet til at forbedre skift, silicium kan i øjeblikket ikke matche troskaben af ​​InSb.

Dr. Gregory forudser også, at denne teknologi kan erstatte silicium ved at skifte helt. Og selvom brugen af ​​InSb ikke nødvendigvis er billigere, det kan vise sig at være mere omkostningseffektivt i det lange løb på grund af forbedrede bitfejlfrekvenser, som folk ville være villige til at betale for.

Hvad angår skærmapplikationer, denne teknologi kunne generere endnu tyndere og hurtigere skærme, end der i øjeblikket er på markedet, uden de samme kvalitetskontrolproblemer.

Den nuværende LCD- og LED-teknologi består af flere forskellige komponenter udover selve den flydende krystal. "Og hver stak har en tykkelse, " siger Mirshafieyan. "Men med InSb-teknologi, du kan kombinere alt. Det er i sig selv et farvefilter." Som et resultat, en meget tyndere, hurtigere, højere opløsning er mulig.

"Hvis du nogensinde har prøvet at se en hockeykamp på et flydende krystal-tv, du kan slet ikke følge pucken på isen, og det er fordi tv'et ikke kan køre med høje nok hastigheder, " siger Dr. Gregory. Dette er på grund af billedforvrængningerne skabt af variationen i lagene af mange flydende krystalskærme og den grundlæggende reaktionshastighed.

Imidlertid, disse kvalitetskontrolproblemer kunne elimineres med den teknologi, som Dr. Gregory og Mirshafieyan foreslår, fordi det ville give mulighed for reduceret pixelstørrelse. "Vi kan skabe meget små pixels med denne teknologi, fordi den ikke har noget nanomønster, der begrænser fremstillingsprocessen, " siger Mirshafieyan. "Vi kan lave ultra-ultrasmå pixels med forskellige farver, og det vil forbedre kvaliteten af ​​skærmen langt ud over, hvad der er tilgængeligt nu."