Næste generations optik på kun to minutters tilberedningstid

Optiske kredsløb er sat til at revolutionere ydeevnen af ​​mange enheder. Ikke alene er de 10 til 100 gange hurtigere end elektroniske kredsløb, men de bruger også meget mindre strøm. Inden for disse kredsløb, lysbølger styres af ekstremt tynde overflader kaldet metasurfaces, der koncentrerer bølgerne og leder dem efter behov. Metasfladerne indeholder regelmæssigt adskilte nanopartikler, der kan modulere elektromagnetiske bølger over sub-mikrometer bølgelængdeskalaer.

Metasurfaces kunne gøre det muligt for ingeniører at lave fleksible fotoniske kredsløb og ultratynd optik til en lang række applikationer, lige fra fleksible tabletcomputere til solpaneler med forbedrede lysabsorberende egenskaber. De kan også bruges til at skabe fleksible sensorer til direkte placering på en patients hud, for eksempel, for at måle ting som puls og blodtryk eller for at opdage specifikke kemiske forbindelser.

Fangsten er, at skabe metaoverflader ved hjælp af den konventionelle metode, litografi, er en omhyggelig proces, der tager flere timer og skal udføres i et renrum. Men EPFL-ingeniører fra Laboratory of Photonic Materials and Fiber Devices (FIMAP) har nu udviklet en simpel metode til at lave dem på blot et par minutter ved lave temperaturer - eller nogle gange endda ved stuetemperatur - uden behov for et renrum. EPFL's School of Engineering-metode producerer dielektriske glasmetaoverflader, der kan være enten stive eller fleksible. Resultaterne af deres forskning vises i Natur nanoteknologi .

At vende en svaghed til en styrke

Den nye metode anvender en naturlig proces, der allerede anvendes i væskemekanik:affugtning. Dette sker, når en tynd film af materiale afsættes på et substrat og derefter opvarmes. Varmen får filmen til at trække sig tilbage og bryde fra hinanden til små nanopartikler. "Afvædning ses som et problem i fremstillingen - men vi besluttede at bruge det til vores fordel, "siger Fabien Sorin, undersøgelsens hovedforfatter og leder af FIMAP.

Med deres metode, ingeniørerne var i stand til at skabe dielektriske glasmetaoverflader, snarere end metalliske metaflader, for første gang. Fordelen ved dielektriske metasoverflader er, at de absorberer meget lidt lys og har et højt brydningsindeks, gør det muligt at modulere lyset, der forplanter sig gennem dem.

For at konstruere disse metasflader, ingeniørerne skabte først et substrat struktureret med den ønskede arkitektur. Så deponerede de et materiale - i dette tilfælde, chalcogenidglas - i tynde film, der kun er titalls nanometer tykke. Substratet blev efterfølgende opvarmet i et par minutter, indtil glasset blev mere flydende, og nanopartikler begyndte at dannes i de størrelser og positioner, som substratets tekstur dikterede.

Metoden er så effektiv, at den kan producere meget sofistikerede metaoverflader med flere niveauer af nanopartikler eller med arrays af nanopartikler med en afstand på 10 nm fra hinanden. Det gør metaoverfladerne meget følsomme over for ændringer i omgivende forhold - såsom at detektere tilstedeværelsen af ​​selv meget lave koncentrationer af biopartikler. "Det er første gang, at affugtning er blevet brugt til at skabe glasmetasflader. Fordelen er, at vores metasflader er glatte og regelmæssige, og kan nemt fremstilles på store overflader og fleksible underlag, siger Sorin.