Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een diëlektrische film ontwikkeld die optische en elektrische eigenschappen heeft die vergelijkbaar zijn met lucht, maar is sterk genoeg om te worden ingebouwd in elektronische en fotonische apparaten, waardoor ze zowel efficiënter als mechanisch stabieler worden.

Het gaat om iets dat de brekingsindex wordt genoemd, die meet hoeveel licht buigt wanneer het door een stof beweegt. Lucht, bijvoorbeeld, heeft een brekingsindex van 1, terwijl water een brekingsindex van 1,33 heeft - daarom lijkt een rietje te buigen als je het in een glas water doet.

Fotonische apparaten vereisen een hoog contrast tussen de samenstellende materialen, waarbij sommige componenten een hoge brekingsindex hebben en andere een lage. Hoe hoger het contrast tussen die materialen, hoe efficiënter het fotonische apparaat is - en hoe beter het presteert. Lucht heeft de laagste brekingsindex, maar het is niet mechanisch stabiel. En de laagste brekingsindex gevonden in vast, natuurlijk voorkomende materialen is 1,39.

Maar nu hebben onderzoekers een film ontwikkeld van aluminiumoxide met een brekingsindex van slechts 1,025, maar die mechanisch stijf is.

"Door de structuur van het aluminiumoxide te manipuleren, dat is diëlektrisch, we hebben zowel de optische als mechanische eigenschappen verbeterd, " zegt Chih-Hao Chang, corresponderende auteur van een paper over het werk en een assistent-professor mechanische en ruimtevaarttechniek bij NC State. Diëlektrica zijn isolatiematerialen die worden gebruikt in een enorm scala aan consumentenproducten. Bijvoorbeeld, elk handheld-apparaat heeft honderden condensatoren, dat zijn diëlektrische componenten die elektrische lading kunnen opslaan en beheren.

"De sleutel tot de uitvoering van de film is de zeer geordende afstand tussen de poriën, waardoor het een meer mechanisch robuuste structuur krijgt zonder de brekingsindex aan te tasten, " zegt Xu Zhang, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student aan NC State.

De onderzoekers maken de film door eerst een nanolithografie te gebruiken die is ontwikkeld in het laboratorium van Chang om zeer geordende poriën in een polymeersubstraat te creëren. Dat poreuze polymeer dient dan als sjabloon, die de onderzoekers met behulp van atomaire laagafzetting met een dunne laag aluminiumoxide omhullen. Het polymeer wordt vervolgens afgebrand, waardoor een driedimensionale aluminiumoxidecoating achterblijft.

"We zijn in staat om de dikte van het aluminiumoxide te controleren, het creëren van een coating tussen twee nanometer en 20 nanometer dik, " zegt Zhang. "Met zinkoxide in hetzelfde proces, we kunnen een dikkere coating maken. En de dikte van de coating bepaalt en stelt ons in staat om de brekingsindex van de film te ontwerpen." Ongeacht hoe dik de coating is, de film zelf is ongeveer een micrometer dik.

"De stappen in het proces zijn potentieel schaalbaar, en zijn compatibel met bestaande chipproductieprocessen, " zegt Chang. "Onze volgende stappen omvatten de integratie van deze materialen in functionele optische en elektronische apparaten."