De technologie voor het regelen van lichtabsorptie bij geselecteerde golflengten in nanostructuren heeft de afgelopen jaren veel aandacht gekregen; echter, het dynamisch afstemmen van absorptiegolflengten zonder ook de geometrie van hun structuur te veranderen, is enigszins ongrijpbaar geweest. Een recent gepubliceerd artikel in Wetenschappelijke rapporten door Dr. Don Gregory, vooraanstaand professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde aan de Universiteit van Alabama in Huntsville (UAH), en zijn Ph.D. student, Seyed Sadreddin Mirshafieyan, stelt hiervoor een oplossing voor.

hun papier, "Elektrisch afstembare perfecte lichtabsorbers als kleurfilters en modulatoren, "theoretiseert hoe spanning, wanneer toegepast op een nanocavity-structuur gemaakt van een epsilon-near-zero (ENZ) -materiaal zoals indiumantimonide (InSb), maakt realtime manipulatie van absorptiegolflengten en apparaatkleuren mogelijk, wat zou kunnen leiden tot aanzienlijke vooruitgang op het gebied van displays, schakelen, sensoren, en spectrale analyse.

State-of-the-art technologie in kleurfilters maakt gebruik van wat bekend staat als een Fabry-Perot-nanoholte die bestaat uit dunne halfgeleider- en metaalfilms om licht op geselecteerde golflengten te absorberen. Dr. Gregory beschrijft deze nanoholte als analoog aan het hebben van twee spiegels, de ene sterk reflecterend en de andere gedeeltelijk doorgelaten, met licht dat de gedeeltelijk doorlatende spiegel binnenkomt en weerkaatst op de perfect reflecterende spiegel. "Als de spiegelafstand precies goed is, je krijgt constructieve interferentie tussen licht dat in de twee verschillende richtingen reist, "zegt hij. "Dat betekent dat je kunt kiezen welke golflengte door dat oppervlak wordt gereflecteerd." Met andere woorden, de absorptiegolflengte - of de kleur die wordt teruggekaatst naar het oog - wordt bepaald door de dikte van de nanoholte.

Tot nu, die dikte is bepaald door vaste lagen afgestemd op een bepaalde kleur of een andere. "Dat betekent voor een bepaalde laagdikte en een bepaald aantal lagen, je krijgt een bepaalde kleur weerspiegeld uit die combinatie, " Dr. Gregory legt uit. "Je moet de dikte van de lagen veranderen om een ​​andere kleur te krijgen, maar het idee in dit artikel is dat we deze verschillende materialen kunnen bouwen en het licht dat wordt teruggekaatst elektrisch kunnen regelen. Zodat we het kunnen afstemmen op groen licht, blauw licht, rood licht door de spanning over de lagen te veranderen."

Onder toezicht van Dr. Gregory, Mirshafieyan heeft een structuur gemodelleerd die elektrisch kan worden afgestemd op verschillende absorptiegolflengten en een eerste ontwerp van zijn Ph.D. proefschrift is afgerond.

De structuur bestaat uit een ultradunne, nanometer dik ENZ-materiaal genaamd InSb en een laag van titaniumdioxide (TiO2) ingeklemd tussen twee zilveren spiegels. De totale dikte van het apparaat inclusief de spiegels, InSb, en TiO2 kleiner is dan 200 nm, die 500 keer dunner is dan mensenhaar. InSb is een III-V-halfgeleider waarvan de dragerdichtheid (wanneer deze is gedoteerd) ideaal is voor elektrisch geïnduceerde dragermodulatie, waardoor het zich meer als een metaal gedraagt ​​onder de juiste aangelegde spanning. Zich bewust van verschillende eerdere maar vaak onvolledige pogingen om elektrisch afstembare perfecte lichtabsorbers te bereiken, Mirshafieyan merkt op, dat "onderzoekers al hebben aangetoond dat als je de dikte van de holte verandert, u kunt de kleur veranderen, maar dat is moeilijk in realtime weergavetoepassingen omdat de dikte van elke pixel vast is. We willen de kleur van elke pixel dynamisch veranderen zonder de dikte van die pixel fysiek te veranderen."

Met deze materialen de brekingsindex verandert met de doping die in het materiaal wordt gebruikt, wat Dr. Gregory uitlegt, is hoeveel elektronen of gaten je hebt toegevoegd aan het basis halfgeleidermateriaal. "Dus, je kunt de geleidbaarheid veranderen, zijn soortelijke weerstand bij het maken van het materiaal of je kunt het doen met aangelegde spanning, "zegt hij. "Je hoeft de scheiding tussen spiegels niet fysiek te veranderen." Dit kan moeilijker zijn dan het klinkt, afhankelijk van de omstandigheden. "Het is gemakkelijk genoeg om het in het lab te doen met twee spiegels. We kunnen de afstand tussen de spiegels veranderen en we kunnen licht van verschillende kleuren weerkaatsen, "zegt hij. "Maar om twee spiegels te hebben die vast zijn en dan de brekingsindex van het materiaal binnenin veranderen, elektrisch, live, dat is zwaar."

Deze doping betekent ook dat er geen noodzaak is voor nanopatronen of het creëren van extra exotische materialen, en het is dit onderscheid dat de structuur van Mirshafieyan scheidt van eerdere iteraties die om veranderingen in de structurele geometrie vroegen - een onderscheid dat ook gevolgen heeft voor de telecommunicatie-industrie.

Het gemakkelijk kunnen veranderen van de brekingsindex met een laag aangelegde spanning helpt ook te verklaren waarom het gebruik van InSb in plaats van te zeggen, silicium, kan een betere materiële optie zijn in de telecommunicatie- of overstapindustrie. Het toepassen van spanning op schakelaars met een actieve laag InSb verhoogt de draaggolfdichtheid, en bijgevolg, de permittiviteit, wat leidt tot een grotere verandering in de brekingsindex. "Het is het verschil tussen uit en aan dat er echt toe doet, " zegt Dr. Gregory. "We krijgen een veel groter verschil tussen uit en aan, wat betekent dat we met een veel lager foutenpercentage kunnen werken. En foutenpercentage is alles in telecommunicatie." Het resultaat, daarom, is zeer snel schakelen.

Silicium, anderzijds, produceert niet veel verandering in index met een aangelegde spanning. Zelfs met de toevoeging van andere materialen die zijn ontworpen om het schakelen te verbeteren, silicium kan momenteel niet overeenkomen met de betrouwbaarheid van InSb.

Dr. Gregory verwacht ook dat deze technologie silicium bij het overstappen helemaal zou kunnen vervangen. En hoewel het gebruik van InSb niet per se goedkoper is, het zou op de lange termijn kosteneffectiever kunnen zijn vanwege verbeterde bitfoutpercentages, waarvoor mensen bereid zijn te betalen.

Wat betreft weergavetoepassingen, deze technologie zou nog dunnere en snellere displays kunnen genereren dan momenteel op de markt zijn, zonder dezelfde kwaliteitscontroleproblemen.

De huidige LCD- en LED-technologie bestaat uit verschillende componenten naast het vloeibare kristal zelf. "En elke stapel heeft een dikte, ", zegt Mirshafieyan. "Maar met InSb-technologie, je kunt alles combineren. Het is zelf een kleurenfilter." Als resultaat, een veel dunner, sneller, weergave met een hogere resolutie is mogelijk.

"Als je ooit hebt geprobeerd een hockeywedstrijd te kijken op een lcd-tv, je kunt de puck op het ijs helemaal niet volgen, en dat komt omdat de tv niet snel genoeg kan draaien, ", zegt Dr. Gregory. Dit komt door de beeldvervormingen die ontstaan ​​door de variatie in de lagen van veel liquid crystal displays en de basale reactiesnelheid.

Echter, deze problemen met kwaliteitscontrole zouden kunnen worden geëlimineerd met de technologie die Dr. Gregory en Mirshafieyan voorstellen, omdat dit een kleinere pixelgrootte mogelijk zou maken. "We kunnen met deze technologie hele kleine pixels maken omdat er geen nanopatronen zijn die het fabricageproces beperken, "Zegt Mirshafieyan. "We kunnen ultra-ultrakleine pixels maken met verschillende kleuren en dat zal de kwaliteit van het scherm veel beter maken dan wat er nu beschikbaar is."