Udvendt design udvider bredspektrede superkameraegenskaber

Ved at vende op og ned på en traditionel laboratoriebaseret fremstillingsproces har forskere ved Duke University i høj grad udvidet evnerne til lysmanipulerende metaoverflader og samtidig gjort dem meget mere robuste mod elementerne.

Kombinationen kunne gøre det muligt for disse hurtigt modne enheder at blive brugt i en lang række praktiske applikationer, såsom kameraer, der optager billeder i et bredt lysspektrum i et enkelt lukker-snap.

Resultaterne vises online den 1. juli i tidsskriftet Nano Letters .

Plasmonik er en teknologi, der i det væsentlige fanger lysets energi i grupper af elektroner, der oscillerer sammen på en metaloverflade. Dette skaber et lille, men kraftigt elektromagnetisk felt, der interagerer med indkommende lys.

Traditionelt er disse grupper af elektroner - kaldet plasmoner - blevet ophidset på overfladerne af metal nanokuber. Ved at kontrollere størrelsen af ​​nanokuberne og deres afstand fra hinanden samt metalbasen nedenfor, kan systemet indstilles til at absorbere specifikke bølgelængder af lys.

Disse såkaldte plasmoniske metaoverflader består af tre lag - en metalbase belagt i et nanometertyndt gennemsigtigt substrat toppet med sølvnanokuber. Selvom denne konfiguration har fungeret godt til laboratoriedemonstrationer, efterlader den lidt plads til kreativitet. Fordi et område af nanopartiklerne skal være inden for et par nanometer fra metaloverfladen nedenfor, kunne forskerne ikke bruge en lang række forskellige former.

For at omgå dette behov for fladhed besluttede Maiken Mikkelsen, James N. og Elizabeth H. Barton lektor i elektro- og computerteknik ved Duke og hendes team at prøve at sætte hver nanopartikel i sin egen fordybning eller brønd. Dette ville omgive hele de nederste halvdele af nanopartiklerne med metal, hvilket gør det muligt for siderne at være vært for plasmoner såvel som bunden. Men på grund af utrolig snævre tolerancer er dette lettere sagt end gjort.

"Vi er nødt til at kontrollere visse dimensioner med enkelt-nanometer præcision over overfladen af ​​en centimeter-størrelse wafer," sagde Mikkelsen. "Det er ligesom at prøve at kontrollere tykkelsen af ​​græsstråene på en fodboldbane."

For at imødekomme denne udfordring vendte Mikkelsen og hendes laboratorium i det væsentlige den traditionelle fremstillingsproces på hovedet. I stedet for at starte med en metaloverflade og lægge et tyndt gennemsigtigt substrat ovenpå efterfulgt af nanokuber, starter de med nanokuberne, som de dækker med en præcis tynd spacerbelægning, der følger den underliggende form, og toppes af med en metalbelægning. Det er næsten som en kage på hovedet med ananas, hvor nanokuberne er ananaserne, der bliver dækket af karameliseret sukker og bagt til en tynd bund.

Fordi mere end én overflade af nanokuberne nu kunne fange plasmoner mellem huller, kunne Mikkelsen og hendes kolleger eksperimentere i 3D med nye nanopartikelformer. I avisen prøvede holdet solide kugler og cuboctaedre – en form bestående af otte trekantede flader og seks firkantede flader – samt metalkugler med en kvartskerne.

"Syntetisering af nanopartikler kan være vanskelig, og der er begrænsninger for hver form," sagde Mikkelsen. "Ved at være i stand til at bruge næsten alle former, åbner vi virkelig op for en masse nye muligheder, herunder at udforske en række forskellige metaller."

Testresultater viste, at den nye fremstillingsmetode ikke kun kan matche eller overgå kapaciteten af ​​tidligere metoder ved hjælp af sølv nanokuber, den kan også udvide rækken af ​​frekvenser, der udnyttes ved at bruge disse forskellige former og metaller. Forskningen afslørede også, at disse variationer ændrer sig, hvor nanopartiklerne fanger energi på deres overflader. Kombineret med den ekstra bonus ved i det væsentlige at forvitre hele enheden ved at omslutte nanopartiklerne, kan den nye teknik potentielt udvide teknologiens anvendelse til at drive kemiske reaktioner eller termiske detektorer.

Mikkelsens første prioritet er dog at anvende fabrikationsteknikken til hendes projekt om at skabe et "superkamera", der kan fange og behandle en lang række af lysets egenskaber, såsom polarisering, dybde, fase, sammenhæng og indfaldsvinkel.

"Det, der virkelig er væsentligt her, er, at store, makroskopiske områder kan dækkes af metasfladerne meget billigt, da vi bruger helt litografifri fremstillingsteknikker," sagde Mikkelsen. "Det betyder, at metasurfaces kan integreres med andre eksisterende teknologier og også skabe inspiration til nye plasmoniske metasurface-applikationer." + Udforsk yderligere

Opfanger optisk lys med fri plads til højhastigheds-Wi-Fi