Ingenieure finden einen Weg, Licht im Nanobereich zu manipulieren

Wenn Sie eine Regel mit Stil brechen, stellen Sie sicher, dass jeder es sieht. Das ist das Ziel der Ingenieure der Rice University, die hoffen, Bildschirme für virtuelle Realität, 3D-Displays und optische Technologien im Allgemeinen zu verbessern.

Gururaj Naik, außerordentlicher Professor für Elektro- und Computertechnik an der George R. Brown School of Engineering von Rice, und Chloe Doiron, Absolventin des Applied Physics Graduate Program, fanden einen Weg, Licht im Nanobereich zu manipulieren, der die Moss-Regel bricht, die einen Kompromiss beschreibt zwischen der optischen Absorption eines Materials und seiner Lichtbrechung.

Anscheinend ist es eher eine Richtlinie als eine tatsächliche Regel, denn es gibt eine Reihe von „super-mossianischen“ Halbleitern. Katzengold, auch Eisenpyrit genannt, ist eines davon.

Für ihr Studium in Fortschrittliche optische MaterialienNaik, Doiron und Co-Autor Jacob Khurgin, Professor für Elektrotechnik und Computertechnik an der Johns Hopkins University, stellen fest, dass Eisenpyrit als nanophotonisches Material besonders gut funktioniert und zu besseren und dünneren Displays für tragbare Geräte führen könnte.

Noch wichtiger ist, dass sie eine Methode entwickelt haben, um Materialien zu finden, die die Moss-Regel übertreffen und nützliche Lichthandhabungseigenschaften für Displays und Sensoranwendungen bieten.

„In der Optik sind wir immer noch auf sehr wenige Materialien beschränkt“, sagte Naik. „Unser Periodensystem ist wirklich klein. Aber es gibt so viele Materialien, die einfach unbekannt sind, nur weil wir keine Erkenntnisse darüber entwickelt haben, wie man sie findet.“

„Das wollten wir zeigen: Es gibt Physik, die hier angewendet werden kann, um die Materialien in die engere Wahl zu ziehen und uns dann bei der Suche nach denen zu helfen, die uns zu allen industriellen Anforderungen führen können“, sagte er.

„Nehmen wir an, ich möchte eine LED oder einen Wellenleiter entwerfen, die bei einer bestimmten Wellenlänge arbeiten, sagen wir 1,5 Mikrometer“, sagte Naik. „Für diese Wellenlänge möchte ich einen möglichst kleinen Wellenleiter, der die geringsten Verluste hat, also das Licht am besten eindämmen kann.“

Laut Moss würde die Wahl eines Materials mit dem höchstmöglichen Brechungsindex bei dieser Wellenlänge normalerweise den Erfolg garantieren. „Das ist im Allgemeinen die Anforderung für alle optischen Geräte im Nanobereich“, sagte er. „Die Materialien müssen eine Bandlücke haben, die etwas über der interessierenden Wellenlänge liegt, weil wir dort beginnen, weniger Licht durchzulassen.“

„Silizium hat einen Brechungsindex von etwa 3,4 und ist der Goldstandard“, sagte Naik. „Aber wir begannen zu fragen, ob wir über Silizium hinaus auf einen Index von 5 oder 10 gehen könnten.“

Das veranlasste sie, nach anderen optischen Optionen zu suchen. Dafür entwickelten sie ihre Formel zur Identifizierung von Super-Mossian-Dielektrika.

„In dieser Arbeit geben wir Menschen ein Rezept, das auf die öffentlich zugängliche Materialdatenbank angewendet werden kann, um sie zu identifizieren“, sagte Naik.

Die Forscher entschieden sich für Experimente mit Eisenpyrit, nachdem sie ihre Theorie auf eine Datenbank mit 1.056 Verbindungen angewendet und in drei Bandlückenbereichen nach denen mit den höchsten Brechungsindizes gesucht hatten. Drei Verbindungen zusammen mit Pyrit wurden als Super-Mossian-Kandidaten identifiziert, aber die niedrigen Kosten und die lange Verwendung von Pyrit in photovoltaischen und katalytischen Anwendungen machten es zur besten Wahl für Experimente.

„Katzengold wurde traditionell in der Astrophysik untersucht, weil es häufig in interstellaren Trümmern gefunden wird“, sagte Naik. „Aber im Kontext der Optik ist es wenig bekannt.“

Er stellte fest, dass Eisenpyrit für die Verwendung in Solarzellen untersucht wurde. „In diesem Zusammenhang zeigten sie optische Eigenschaften im sichtbaren Wellenlängenbereich, wo es wirklich verlustbehaftet ist“, sagte er. „Aber das war ein Hinweis für uns, denn wenn etwas im sichtbaren Frequenzbereich extrem verlustbehaftet ist, wird es im nahen Infrarot wahrscheinlich einen sehr hohen Brechungsindex haben.“

Also stellte das Labor Eisen-Pyrit-Filme in optischer Qualität her. Tests des Materials ergaben einen Brechungsindex von 4,37 mit einer Bandlücke von 1,03 Elektronenvolt, was die von der Moss-Regel vorhergesagte Leistung um etwa 40 % übertrifft.

Das ist großartig, sagte Naik, aber das Suchprotokoll könnte – und wird wahrscheinlich – noch bessere Materialien finden.

„Es gibt viele Kandidaten, von denen einige noch nicht einmal gemacht wurden“, sagte er.