Het vermogen om licht op een subgolflengteschaal te manipuleren zou kunnen leiden tot een revolutie in fotonische apparaten zoals antennes, zonnepanelen, en zelfs verhul apparaten. De vooruitgang van de nanotechnologie heeft dit mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van meta-oppervlakken, materialen bedekt met kenmerken die kleiner zijn dan de golflengte van het licht.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van A*STAR-onderzoekers heeft een veelbelovend meta-oppervlak geproduceerd dat nauwkeurig kan worden bestuurd met behulp van een conventioneel elektrisch circuit, zodat het verschillende hoeveelheden straling reflecteert en doorlaat. Het kan zelfs de toestand van 'perfecte antireflectie' bereiken, waarbij het helemaal geen straling reflecteert. specifiek, het oppervlak werkt met breedband terahertz-straling, die zich aan het uiteinde van het infraroodspectrum bevindt en veel potentiële toepassingen heeft, met name op het gebied van beveiliging of medisch.

"Terahertz-straling kan een grote verscheidenheid aan niet-geleidende materialen binnendringen, maar wordt geblokkeerd door vloeibaar water of metalen, " legt Lu Ding uit, die het werk leidde met Jinghua Teng aan het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "Dit betekent dat terahertz-stralen kunnen worden gebruikt voor materiaalkarakterisering, laag inspectie, en het produceren van afbeeldingen met een hoge resolutie van het interieur van vaste objecten. Het is niet-ioniserende straling, en veiliger dan röntgenstralen."

Eerdere meta-oppervlakken zijn ontworpen om de reflectie van terahertz-straling te manipuleren. Echter, hun toepassing is beperkt, zoals Ding uitlegt:"Conventionele terahertz-antireflectieoppervlakken zijn passief en gebruiken vaak een ultradunne metalen coating die, eenmaal gefabriceerd, wordt vast en je kunt de prestaties niet actief afstemmen."

"Een elektrisch afstembaar meta-oppervlak zou meer veelzijdige apparaten opleveren en meer flexibiliteit geven in het systeemontwerp, " voegt Teng toe. "Het is de doorbraak waar de gemeenschap naar op zoek is."

Ding en Teng, samen met collega's van het A*STAR Institute of Microelectronics (IME), Nanyang Technologische Universiteit, Nationale Universiteit van Singapore en Jilin University in China, hebben hun nieuwe meta-oppervlak gefabriceerd op een siliciumwafeltje, gebruikmakend van een proces dat volledig compatibel is met de complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologieën (CMOS) die aan de basis liggen van de meeste elektronica.

Het blootliggende meta-oppervlak bevat strepen van halfgeleidend silicium, gedoteerd met andere elementen. Deze strepen zijn afwisselend n-type, waarin de bewegende ladingsdragers elektronen zijn, en p-type, waarin de dragers positief geladen 'gaten' in de elektronenstructuur zijn. Wanneer de spanning die aan de pn-overgangen wordt geleverd, wordt gewijzigd, ook de reflectie en transmissie van de straling veranderen.

Het team realiseerde zich dat de reflectiecoëfficiënt toenam als reactie op een temperatuurstijging veroorzaakt door de aangelegde spanning. In de tussentijd, de transmissie vertoonde een complexere respons, afhankelijk van de spanningspolariteit, die van invloed waren op het type ladingdrager dat dominant werd. Met behulp van terahertz tijddomein spectroscopie, het team toonde aan dat bepaalde spanningsomstandigheden ervoor zorgden dat de echopuls van het meta-oppervlak verdween, staat voor volledige antireflectie.

Naast deze ongekende controle over reflectie en transmissie, het metaoppervlak heeft het voordeel dat het bijna volledig vlak is op atomair niveau. Dit maakt het ideaal voor het opbouwen van gladde lagen in complexere apparaten.

"Een ander groot voordeel is dat ons onderzoek naar hoe 2D-materialen interageren met 2D-metamaterialen of meta-oppervlakken, een onderwerp in ons project in het 2-D Semiconductors Pharos-programma van A*STAR, ", zegt Teng. "Het atomair gladde oppervlak maakt de overdracht en vorming van 2-D-Si-heterostructuren veel gemakkelijker dan de patroonoppervlakken van pilaren of schijven van nanoformaat die te zien zijn op conventionele meta-oppervlakken."

"We zouden dit type meta-oppervlak verder kunnen exploiteren door de pn-overgangen onafhankelijk te beïnvloeden of modulaire functies te ontwerpen, wat betekent dat we voorprogrammeerbare metamaterialen zouden hebben, ", zegt Ding. Teng voegt eraan toe dat hetzelfde platform kan worden gebruikt voor het bestuderen van veelbelovende 2D-materialen zoals molybdeendisulfide, die indrukwekkende elektronische en optische eigenschappen vertoont voor gebruik in nieuwe flexibele circuits.