Onderzoekers hebben zich verdiept in de samenstelling van nanocomposieten voor de vervaardiging van ultraviolette metasurfaces en hebben het ideale printmateriaal bepaald om deze te vervaardigen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Microsystems &Nanoengineering op 22 april.

Metasurfaces, ultradunne optische apparaten, bezitten het opmerkelijke vermogen om licht te controleren tot een dikte van slechts een nanometer. Metasurfaces zijn consequent het onderwerp van onderzoek geweest als een cruciale technologie voor de vooruitgang van de volgende generatie beeldschermen, beeldvorming en biosensoren. Hun bereik reikt verder dan zichtbaar licht en verdiept zich in de rijken van infrarood en ultraviolet licht.

Nanoimprint-lithografie is een technologie voor de productie van metasurfaces, vergelijkbaar met een stempel die talloze replica's genereert uit één enkele mal. Deze innovatieve techniek belooft een betaalbare en grootschalige productie van metasurfaces, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor hun commerciële levensvatbaarheid. De hars die als printmateriaal wordt gebruikt, heeft echter een nadeel:een lage brekingsindex, waardoor efficiënte lichtmanipulatie wordt belemmerd.

Om deze uitdaging aan te pakken, onderzoeken onderzoekers actief nanocomposieten, waarbij ze nanodeeltjes in de hars integreren om de brekingsindex te verhogen. Toch hangt de effectiviteit van deze aanpak af van verschillende factoren, zoals het type nanodeeltjes en de keuze van het oplosmiddel, waardoor een systematische analyse noodzakelijk is voor optimale prestaties van het metasurface.

In hun onderzoek ontwierp het team nauwgezet experimenten om de impact van de concentratie van nanodeeltjes en de selectie van oplosmiddelen op patroonoverdracht en UV-metahologrammen te evalueren.

Concreet manipuleerden ze de concentratie van zirkoniumdioxide (ZrO₂ ), een nanocomposiet dat bekend staat om zijn effectiviteit bij de productie van UV-metahologrammen, variërend van 20% tot 90%. Uit de bevindingen bleek dat de hoogste efficiëntie van patroonoverdracht werd bereikt bij een concentratieniveau van 80%.

Bovendien, bij het combineren van ZrO₂ bij een concentratie van 80% met verschillende oplosmiddelen zoals methylisobutylketon, methylethylketon en aceton voor de realisatie van metahologrammen, steeg de conversie-efficiëntie in het ultraviolette spectrum (325 nm) en bereikte indrukwekkende niveaus van 62,3%, 51,4% en 61,5%, respectievelijk.

Dit onderzoek markeert een belangrijke mijlpaal door het vaststellen van een optimale maatstaf voor het bereiken van metahologrammen die specifiek zijn toegesneden op het ultraviolette domein, in tegenstelling tot het zichtbare bereik, terwijl het ook pioniert in de ontwikkeling van nieuwe nanocomposieten.

Professor Junsuk Rho van de Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie (POSTECH) zei:"Het gebruik van titaniumdioxide (TiO₂ ) en silicium (Si) nanocomposieten in plaats van ZrO₂ breidt de toepasbaarheid uit op zichtbaar en infrarood licht."

"Onze toekomstige onderzoeksinspanningen zullen zich richten op het verfijnen van de voorbereidingsomstandigheden voor optimale nanocomposieten, waardoor de vooruitgang, toepassing en uitbreiding van de fabricagetechnologie voor optische metasurfaces wordt gestimuleerd."

Het onderzoeksteam bestaat uit professor Rho van de afdeling Werktuigbouwkunde, Chemische Technologie en Elektrotechniek, Hyunjung Kang en Nara Jeon, en Ph.D. kandidaten, van de afdeling Werktuigbouwkunde en Dongkyo Oh, een Ph.D. student, van de afdeling Werktuigbouwkunde van POSTECH.

Meer informatie: Hyunjung Kang et al, Op maat maken van nanocomposieten met hoge brekingsindex voor de productie van ultraviolette metasurfaces, Microsystemen en nano-engineering (2024). DOI:10.1038/s41378-024-00681-w

Journaalinformatie: Microsystemen en nano-engineering

Aangeboden door Pohang Universiteit voor Wetenschap en Technologie