Als je een regel met stijl overtreedt, zorg er dan voor dat iedereen het ziet. Dat is het doel van ingenieurs van Rice University die schermen voor virtual reality, 3D-schermen en optische technologieën in het algemeen willen verbeteren.

Gururaj Naik, universitair hoofddocent elektrische en computertechniek aan Rice's George R. Brown School of Engineering, en Applied Physics Graduate Program-alumna Chloe Doiron hebben een manier gevonden om licht op nanoschaal te manipuleren die de Moss-regel overtreedt, wat een wisselwerking beschrijft tussen de optische absorptie van een materiaal en hoe het licht breekt.

Blijkbaar is het meer een richtlijn dan een regel, want er bestaan ​​een aantal "super-Mossiaanse" halfgeleiders. Fool's gold, oftewel ijzerpyriet, is er een van.

Voor hun studie in Advanced Optical Materials , Naik, Doiron en co-auteur Jacob Khurgin, een professor in elektrische en computertechniek aan de Johns Hopkins University, vinden dat ijzerpyriet bijzonder goed werkt als nanofotonisch materiaal en zou kunnen leiden tot betere en dunnere schermen voor draagbare apparaten.

Belangrijker is dat ze een methode hebben ontwikkeld om materialen te vinden die de Moss-regel overtreffen en die nuttige lichtverwerkingseigenschappen bieden voor displays en detectietoepassingen.

"In de optica zijn we nog steeds beperkt tot een paar materialen," zei Naik. "Ons periodiek systeem is erg klein. Maar er zijn zoveel materialen die gewoon onbekend zijn, alleen omdat we geen inzicht hebben ontwikkeld hoe we ze kunnen vinden."

"Dat is wat we wilden laten zien:er is natuurkunde die hier kan worden toegepast om de materialen op de shortlist te zetten en ons vervolgens te helpen zoeken naar die materialen die ons kunnen helpen bij wat de industriële behoeften ook zijn," zei hij.

"Laten we zeggen dat ik een LED of een golfgeleider wil ontwerpen die werkt op een bepaalde golflengte, zeg 1,5 micrometer," zei Naik. "Voor deze golflengte wil ik de kleinst mogelijke golfgeleider, die het minste verlies heeft, wat betekent dat die het licht het beste kan beperken."

Het kiezen van een materiaal met de hoogst mogelijke brekingsindex bij die golflengte zou volgens Moss normaal gesproken succes garanderen. "Dat is over het algemeen de vereiste voor alle optische apparaten op nanoschaal," zei hij. "De materialen moeten een bandgap hebben die iets boven de golflengte van belang is, want daar beginnen we minder licht te zien doorkomen."

"Silicium heeft een brekingsindex van ongeveer 3,4 en is de gouden standaard", zei Naik. "Maar we begonnen te vragen of we verder konden gaan dan silicium tot een index van 5 of 10."

Dat leidde tot hun zoektocht naar andere optische opties. Daarvoor ontwikkelden ze hun formule om super-Mossische diëlektrica te identificeren.

"In dit werk geven we mensen een recept dat kan worden toegepast op de openbaar beschikbare database met materialen om ze te identificeren," zei Naik.

De onderzoekers besloten tot experimenten met ijzerpyriet nadat ze hun theorie hadden toegepast op een database van 1.056 verbindingen, waarbij ze in drie bandgap-bereiken zochten naar die met de hoogste brekingsindices. Drie verbindingen samen met pyriet werden geïdentificeerd als super-Mossian-kandidaten, maar de lage kosten en het lange gebruik van pyriet in fotovoltaïsche en katalytische toepassingen maakten het de beste keuze voor experimenten.

"Fool's gold is van oudsher bestudeerd in de astrofysica omdat het vaak wordt aangetroffen in interstellair puin," zei Naik. "Maar in de context van optica is het weinig bekend."

Hij merkte op dat ijzerpyriet is onderzocht voor gebruik in zonnecellen. "In die context toonden ze optische eigenschappen in de zichtbare golflengten, waar het echt lossy is", zei hij. "Maar dat was een aanwijzing voor ons, want als iets extreem verliesgevend is in de zichtbare frequenties, zal het waarschijnlijk een zeer hoge brekingsindex hebben in het nabij-infrarood."

Dus het lab maakte ijzerpyrietfilms van optische kwaliteit. Tests van het materiaal onthulden een brekingsindex van 4,37 met een bandafstand van 1,03 elektronvolt, wat de prestatie voorspeld door de Moss-regel met ongeveer 40% overtrof.

Dat is geweldig, zei Naik, maar het zoekprotocol kan - en zal waarschijnlijk - materialen vinden die nog beter zijn.

"Er zijn veel kandidaten, waarvan sommige niet eens zijn gemaakt", zei hij. + Verder verkennen

Omgevingslicht verandert breking in 2D-materiaal