Optische circuits zullen de prestaties van veel apparaten radicaal veranderen. Ze zijn niet alleen 10 tot 100 keer sneller dan elektronische circuits, maar ze verbruiken ook veel minder stroom. Binnen deze kringen lichtgolven worden gecontroleerd door extreem dunne oppervlakken, meta-oppervlakken genaamd, die de golven concentreren en naar behoefte leiden. De meta-oppervlakken bevatten nanodeeltjes op regelmatige afstanden die elektromagnetische golven kunnen moduleren over golflengteschalen van minder dan micrometer.

Metasurfaces zouden ingenieurs in staat kunnen stellen om flexibele fotonische circuits en ultradunne optica te maken voor tal van toepassingen, variërend van flexibele tabletcomputers tot zonnepanelen met verbeterde lichtabsorberende eigenschappen. Ze kunnen ook worden gebruikt om flexibele sensoren te maken voor directe plaatsing op de huid van een patiënt, bijvoorbeeld, om zaken als hartslag en bloeddruk te meten of om specifieke chemische verbindingen op te sporen.

Het addertje onder het gras is dat het maken van meta-oppervlakken met de conventionele methode, lithografie, is een veeleisend proces dat enkele uren in beslag neemt en in een cleanroom moet worden uitgevoerd. Maar EPFL-ingenieurs van het Laboratory of Photonic Materials and Fiber Devices (FIMAP) hebben nu een eenvoudige methode ontwikkeld om ze in slechts een paar minuten bij lage temperaturen - of soms zelfs bij kamertemperatuur - te maken zonder dat een cleanroom nodig is. De School of Engineering-methode van de EPFL produceert meta-oppervlakken van diëlektrisch glas die zowel stijf als flexibel kunnen zijn. De resultaten van hun onderzoek verschijnen in Natuur Nanotechnologie .

Van een zwakte een sterkte maken

De nieuwe methode maakt gebruik van een natuurlijk proces dat al in de stromingsleer wordt gebruikt:dewetting. Dit gebeurt wanneer een dunne film van materiaal op een substraat wordt afgezet en vervolgens wordt verwarmd. De hitte zorgt ervoor dat de film zich terugtrekt en uiteenvalt in kleine nanodeeltjes. "Ontvochten wordt gezien als een probleem bij de productie, maar we hebben besloten het in ons voordeel te gebruiken. " zegt Fabien Sorin, de hoofdauteur van de studie en het hoofd van FIMAP.

Met hun methode de ingenieurs waren in staat om meta-oppervlakken van diëlektrisch glas te maken, in plaats van metalen meta-oppervlakken, Voor de eerste keer. Het voordeel van diëlektrische meta-oppervlakken is dat ze zeer weinig licht absorberen en een hoge brekingsindex hebben, waardoor het mogelijk wordt om het licht dat zich erdoorheen voortplant te moduleren.

Om deze meta-oppervlakken te construeren, de ingenieurs creëerden eerst een ondergrond met de gewenste architectuur. Vervolgens deponeerden ze een materiaal - in dit geval, chalcogenideglas - in dunne films van slechts tientallen nanometers dik. Het substraat werd vervolgens een paar minuten verwarmd totdat het glas vloeibaarder werd en zich nanodeeltjes begonnen te vormen in de afmetingen en posities die werden bepaald door de textuur van het substraat.

De methode is zo efficiënt dat het zeer geavanceerde meta-oppervlakken kan produceren met verschillende niveaus van nanodeeltjes of met arrays van nanodeeltjes op een onderlinge afstand van 10 nm. Dat maakt de meta-oppervlakken zeer gevoelig voor veranderingen in de omgevingscondities, zoals het detecteren van de aanwezigheid van zelfs zeer lage concentraties biodeeltjes. "Dit is de eerste keer dat dewetting is gebruikt om glazen meta-oppervlakken te maken. Het voordeel is dat onze meta-oppervlakken glad en regelmatig zijn, en kan gemakkelijk worden geproduceerd op grote oppervlakken en flexibele substraten, ' zegt Sorin.