As nanoestruturas de vidro refletem quase toda luz visível, com suposições fotônicas desafiadoras

Uma equipe de pesquisa liderada pelo SUTD criou estruturas de vidro em nanoescala com refletância quase perfeita, anulando suposições de longa information sobre o que os materiais de baixo índice podem fazer na fotônica.

Durante décadas, o vidro tem sido um cavalo de trabalho confiável de sistemas ópticos, avaliado por sua transparência e estabilidade. Mas quando se trata de manipular a luz na nanoescala, especialmente para dispositivos ópticos de alto desempenho, o vidro tradicionalmente levou um banco traseiro a materiais de índice de refração mais altos. Agora, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Joel Yang, da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura (SUTD), está remodelando essa narrativa.

Com descobertas publicado em Avanços científicosa equipe desenvolveu um novo método para estruturas de vidro com estampa 3D com precisão em nanoescala e alcançar quase 100% de refletância no Espectro visível. Esse nível de desempenho é raro para materiais de baixo rendimento-índice como a sílica e abre um papel mais amplo para o vidro na nanofotônica, inclusive na óptica vestível, shows integrados e sensores.

O avanço dos pesquisadores é ativado por um novo materials chamado Glass-Nano: uma resina fotocurável feita misturando moléculas contendo silício com outros compostos orgânicos sensíveis à luz.

Ao contrário das abordagens convencionais que dependem de nanopartículas de sílica-geralmente resultando em estruturas granuladas e de baixa resolução-o copo-nano cura sem problemas e se contrai uniformemente durante o aquecimento, transformando-se em vidro claro e robusto. Quando impressos usando litografia de dois fótons, essas estruturas de polímeros encolhem durante a sinterização a 650 ° C, preservando sua forma enquanto atinge a nanoescala apresenta tão pequenos quanto 260 nanômetros.

“Em vez de começar com partículas de sílica, trabalhamos com moléculas portadoras de silício na formulação da resina”, explicou o Prof Yang. “Esta resina nos permite construir nanoestruturas com detalhes muito mais finos e superfícies mais suaves do que period anteriormente possível. Em seguida, convertemos em vidro usando nosso processo de ‘impressão e slink’ sem sacrificar a fidelidade”.

A equipe focou sua fabricação em cristais fotônicos (PHCs) – materiais estruturados de maneira synthetic, com padrões de repetição que interagem com comprimentos de onda específicos da luz. Essas estruturas podem refletir a luz com muita eficiência, mas apenas se construída com extrema regularidade e precisão. Os esforços anteriores para realizar os PHCs 3D de baixo índice ficaram constantemente aquém, exibindo apenas baixa refletância devido a irregularidades e distorções estruturais.

Com seu novo método, os pesquisadores superaram essas limitações. Ao imprimir mais de 20 camadas fortemente empilhadas e ajustando a geometria do projeto, eles alcançaram um cristal fotônico estruturalmente altamente uniforme e semelhante a um diamante que reflete quase 100% da luz incidente dentro de uma ampla gama de ângulos de visão.

“O resultado foi inesperado”, compartilhou o Dr. Wang Zhang, bolsista de pesquisa da Sutd e primeiro autor do artigo. “Historicamente, materiais de baixo índice como a sílica eram vistos como opticamente fracos para esse fim. Mas nossas descobertas mostram que, com uniformidade e controle estrutural suficientes, eles podem superar as expectativas-e até rivalizar com os materiais de alto índice em refletância”.

É importante ressaltar que as medições ópticas da equipe se alinham estreitamente com as simulações teóricas da estrutura da banda fotônica. As estruturas fabricadas não apenas correspondem aos principais picos de refletância esperados, mas também apresentam detalhes espectrais mais finos previstos pelos modelos.

“Mesmo minúsculos características espectrais de refletância-tão pequenas que suspeitava que eles pudessem ser artefatos de medição-line bem com previsões calculadas de oscilações de onda permanente”, disse o professor associado Thomas Christensen, co-autor do artigo do Departamento de Engenharia de Elétricos e Fotônicos da Universidade Técnica da Dinamarca.

Preservar a forma estrutural durante o processo dramático de encolhimento não foi uma tarefa fácil.

“Na macroescala, o encolhimento como esse entraria em colapso na estrutura”, acrescentou o Dr. Zhang. “Mas na nanoescala, a alta relação superfície-volume realmente ajuda a preservar a estabilidade. Nossa formulação de resina, projetada com vários reticulações e um precursor rico em silício, garante a impressão e a robustez mecânica necessárias para sobreviver ao tratamento térmico”.

As implicações vão além da refletância. Como o processo de formulação e fabricação de resina é compatível com as ferramentas padrão de nanoprinting, esses PHCs de vidro podem ser integrados a uma variedade de dispositivos. As cores estruturais sem pigmentos produzidas pelos cristais, por exemplo, podem ser usadas em exibições que consomem menos energia. Eles também fornecem um sistema modelo para explorar futuras geometrias de cristal fotônico que orientam a luz de maneiras novas, incluindo transporte helicoidal e robusto em sistemas topológicos.

“Com a capacidade de fabricar e controlar a geometria não apenas de um cristal inteiro, mas células unitárias individuais dentro desse cristal, demonstrações de guias de onda e cavidades em 3D Cristais fotônicos Nas frequências visíveis e de telecomunicações parecem ser possível, o que é uma perspectiva muito emocionante “, diz o Prof. Christensen associado.

Olhando para o futuro, a equipe está ampliando as capacidades da plataforma Glass-Nano. Eles estão explorando resinas híbridas que incorporam propriedades emissoras de luz ou não lineares e investigando métodos de impressão mais rápidos e grandes para escalar a produção. Paralelamente, novas geometrias estão sendo estudadas para ultrapassar os limites da manipulação da luz.

“Com a capacidade de imprimir nanoestruturas de alta resolução em dielétricos de baixo e alto índice, agora estamos recorrendo a aplicações em que os componentes ópticos 3D podem reduzir as perdas de transmissão e permitir sistemas fotônicos mais eficientes”, disse o Prof. Yang.