Onderzoekers van het MIT en verschillende andere instellingen hebben een methode ontwikkeld om fotonische apparaten te maken - vergelijkbaar met elektronische apparaten, maar gebaseerd op licht in plaats van elektriciteit - die zonder schade kunnen buigen en uitrekken. De apparaten kunnen worden gebruikt in kabels om computerapparatuur aan te sluiten, of in diagnostische en bewakingssystemen die op de huid kunnen worden bevestigd of in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd, gemakkelijk buigen met het natuurlijke weefsel.

De bevindingen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een speciaal soort glas, chalcogenide genaamd, worden beschreven in twee artikelen van MIT Associate Professor Juejun Hu en meer dan een dozijn anderen aan MIT, de Universiteit van Centraal-Florida, en universiteiten in China en Frankrijk. Het papier is gepland voor publicatie binnenkort in Licht:wetenschap en toepassingen .

Hé, die de Merton C. Flemings Associate Professor of Materials Science and Engineering is, zegt dat veel mensen geïnteresseerd zijn in de mogelijkheid van optische technologieën die kunnen rekken en buigen, vooral voor toepassingen zoals op de huid gemonteerde bewakingsapparaten die optische signalen direct kunnen detecteren. Dergelijke apparaten kunnen, bijvoorbeeld, tegelijkertijd hartslag detecteren, zuurstofgehalte in het bloed, en zelfs bloeddruk.

Fotonica-apparaten verwerken lichtstralen direct, met behulp van systemen van LED's, lenzen, en spiegels vervaardigd met dezelfde soort processen die worden gebruikt om elektronische microchips te vervaardigen. Het gebruik van lichtstralen in plaats van een stroom van elektronen kan voor veel toepassingen voordelen hebben; als de originele gegevens op licht zijn gebaseerd, bijvoorbeeld, optische verwerking vermijdt de noodzaak van een conversieproces.

Maar de meeste huidige fotonica-apparaten zijn vervaardigd van stijve materialen op stijve substraten, Hu zegt, en dus een "inherente mismatch" hebben voor toepassingen die "zo zacht zouden moeten zijn als de menselijke huid". Maar de meeste zachte materialen, inclusief de meeste polymeren, een lage brekingsindex hebben, wat leidt tot een slecht vermogen om een ​​lichtstraal te beperken.

In plaats van zulke flexibele materialen te gebruiken, Hu en zijn team kozen voor een nieuwe benadering:ze vormden het stijve materiaal - in dit geval een dunne laag van een soort glas genaamd chalcogenide - tot een veerachtige spiraal. Net zoals staal kan worden uitgerekt en gebogen wanneer het tot een veer wordt gevormd, de architectuur van deze glazen spoel maakt het mogelijk om vrij uit te rekken en te buigen terwijl de gewenste optische eigenschappen behouden blijven.

"Je krijgt zoiets flexibels als rubber, die kan buigen en strekken, en heeft nog steeds een hoge brekingsindex en is zeer transparant, " zegt Hu. Tests hebben aangetoond dat dergelijke veerachtige configuraties, rechtstreeks op een polymeersubstraat gemaakt, kunnen duizenden rekcycli ondergaan zonder waarneembare verslechtering van hun optische prestaties. Het team produceerde een verscheidenheid aan fotonische componenten, onderling verbonden door de flexibele, veerachtige golfgeleiders, alles in een epoxyharsmatrix, die stijver werd gemaakt bij de optische componenten en flexibeler rond de golfgeleiders.

Andere soorten rekbare fotonica zijn gemaakt door nanostaafjes van een stijver materiaal in te bedden in een polymeerbasis, maar die vereisen extra fabricagestappen en zijn niet compatibel met bestaande fotonische systemen, zegt Hu.

Zo flexibel, rekbare fotonische circuits kunnen ook nuttig zijn voor toepassingen waarbij de apparaten zich moeten aanpassen aan de oneffen oppervlakken van een ander materiaal, zoals in rekstrookjes. Optiektechnologie is erg gevoelig voor spanning, volgens Hu, en kon vervormingen van minder dan een honderdste van 1 procent detecteren.

Dit onderzoek bevindt zich nog in de beginfase; Het team van Hu heeft tot nu toe slechts enkele apparaten tegelijk gedemonstreerd. "Om nuttig te zijn, we moeten alle componenten demonstreren die op één apparaat zijn geïntegreerd, ", zegt hij. Er wordt gewerkt aan de ontwikkeling van de technologie tot dat punt, zodat deze commercieel kan worden toegepast, wat volgens Hu nog twee tot drie jaar kan duren.

In een ander artikel dat vorige week werd gepubliceerd in Natuurfotonica , Hu en zijn medewerkers hebben ook een nieuwe manier ontwikkeld om lagen fotonica te integreren, gemaakt van chalcogenideglas en tweedimensionale materialen zoals grafeen, met conventionele halfgeleider fotonische schakelingen. Bestaande methoden voor het integreren van dergelijke materialen vereisen dat ze op één oppervlak worden gemaakt en vervolgens worden afgepeld en overgebracht naar de halfgeleiderwafel, wat een aanzienlijke complexiteit aan het proces toevoegt. In plaats daarvan, het nieuwe proces maakt het mogelijk de lagen direct op het halfgeleideroppervlak te vervaardigen, op kamertemperatuur, waardoor vereenvoudigde fabricage en nauwkeurigere uitlijning mogelijk is.

Het proces kan ook gebruik maken van het chalcogenidemateriaal als een "passiveringslaag, " om 2D-materialen te beschermen tegen degradatie veroorzaakt door vocht uit de omgeving, en als een manier om de opto-elektronische eigenschappen van 2D-materialen te controleren. De methode is generiek en kan worden uitgebreid naar andere opkomende 2D-materialen naast grafeen, om hun integratie met fotonische circuits uit te breiden en te versnellen, zegt Hu.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.