Dielektrisk film har brydningsindeks tæt på luft

Forskere fra North Carolina State University har udviklet en dielektrisk film, der har optiske og elektriske egenskaber, der ligner luft, men er stærk nok til at blive integreret i elektroniske og fotoniske enheder - hvilket gør dem både mere effektive og mere mekanisk stabile.

Der er tale om noget, der kaldes brydningsindeks, som måler, hvor meget lys der bøjer, når det bevæger sig gennem et stof. Luft, for eksempel, har et brydningsindeks på 1, mens vand har et brydningsindeks på 1,33 - hvorfor et halm ser ud til at bøje, når du putter det i et glas vand.

Fotoniske enheder kræver en høj kontrast mellem dets komponentmaterialer, med nogle komponenter, der har et højt brydningsindeks, og andre har et lavt. Jo større kontrast mellem disse materialer, jo mere effektiv den fotoniske enhed er - og jo bedre fungerer den. Luft har det laveste brydningsindeks, men den er ikke mekanisk stabil. Og det laveste brydningsindeks fundet i fast, naturligt forekommende materialer er 1,39.

Men nu har forskere udviklet en film lavet af aluminiumoxid, der har et brydningsindeks så lavt som 1.025, men som er mekanisk stiv.

"Ved at manipulere aluminiumoxidets struktur, som er dielektrisk, vi har forbedret både dets optiske og mekaniske egenskaber, "siger Chih-Hao Chang, tilsvarende forfatter til et papir om arbejdet og en assisterende professor i mekanik og rumfartsteknik ved NC State. Dielektri er isoleringsmaterialer, der bruges i et enormt udvalg af forbrugerprodukter. For eksempel, hver håndholdt enhed har hundredvis af kondensatorer, som er dielektriske komponenter, der kan lagre og styre elektrisk ladning.

"Nøglen til filmens præstation er den højtordnede afstand mellem porer, hvilket giver den en mere mekanisk robust struktur uden at forringe brydningsindekset, "siger Xu Zhang, hovedforfatter af papiret og en ph.d. studerende på NC State.

Forskerne laver filmen ved først at bruge en nanolithografi, der er udviklet i Changs laboratorium til at skabe højtordnede porer i et polymersubstrat. Den porøse polymer fungerer derefter som en skabelon, som forskerne belægger med et tyndt lag aluminiumoxid ved hjælp af atomlagsaflejring. Polymeren brændes derefter af, efterlader en tredimensionel aluminiumoxidbelægning.

"Vi er i stand til at kontrollere tykkelsen af ​​aluminiumoxidet, skabe en belægning mellem to nanometer og 20 nanometer tyk, "Zhang siger." Brug af zinkoxid i samme proces, vi kan skabe en tykkere belægning. Og belægningens tykkelse styrer og giver os mulighed for at designe filmens brydningsindeks. "Uanset hvor tyk belægningen er, selve filmen er cirka en mikrometer tyk.

"Trinene i processen er potentielt skalerbare, og er kompatible med eksisterende chipfremstillingsprocesser, "Chang siger." Vores næste trin omfatter integration af disse materialer i funktionelle optiske og elektroniske enheder. "