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美国加州大学制备出无损超材料可以使激光更高效
金陵 2017-03-07
导语

美国加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种材料,可以减少光子器件中的信号损失。该成果有可能提高各种基于光技术器件(包括光纤通信系统、激光 器和光伏电池)的效率。

 

图:无损超材料的扫描电镜照片

美国加州大学圣地亚哥分校(UCSD)工程师开发了一种材料,可以减少光子器件中的信号损失。该成果有可能提高各种基于光技术器件(包括光纤通信系统、激光 器和光伏电池)的效率。工程师说,这个发现解决了光子学领域最大的挑战之一:尽量减少器件中称为等离子体超材料的光学(光基)信号损失。

等离子体超材料是纳米级工程化的材料,以不寻常的方式控制光。它们可用于开发从隐形斗篷到量子计算机等不同种类的器件。但是,超材料通常含有金属,因此会将从光吸收能量转化为热。最终结果使一部分光信号被浪费,降低了器件效率。

在自然通信期刊最近发表的研究论文中,UCSD雅各布工程学院的电气工程教授Shaya Fainman领导的一个光子学研究团队展示了一种弥补这些损失的方法,将超材料并入到半导体中。

Fainman研究团队中的电气工程博士后学者及本研究的第一作者Joseph Smalley说:“我们用半导体的增益抵消金属带来的损耗,理论上这种组合可能导致信号的零净吸收——一种‘无损’超材料。”

在他们的实验中,研究人员将红外激光照射到超材料上。他们发现,根据光的偏振方式 ——哪个平面或方向(上下和左右)的所有光波被设置为振动——超材料反射或发射光。

“这是第一种同时作为金属和半导体的材料。如果光是一种偏振光,超材料会像金属一样反射光,当光以另一种方式偏振时,超材料会像半导体一样吸收光并发射出不同颜色的光。”Smalley说。

研究人员通过首先在衬底上生长称为磷化铟镓砷的半导体材料晶体来创建新的超材料。然后,使用来自等离子体的高能离子在半导体中蚀刻窄沟槽,形成间隔40nm、宽40nm的半导体阵列。最后,用银填充沟槽以产生半导体与银交替的纳米条纹的图案。

“这 是制造这种超材料的一种独特方法。”Smalley说。具有不同层的纳米结构通常通过将每个层彼此分开地沉积而制成,“像桌子上的一叠 纸。”Smalley解释说。但在本研究中使用的半导体材料(铟镓砷化物)不能只在任何衬底(如银)的顶部生长,否则会有缺陷。“我们没有创建交替层的堆 叠结构,而是想出了一种并排排列材料的方法,像文件柜中的文件夹,保持半导体材料无缺陷。”

下一步,团队计划研究这个超材料及其变体可在多大程度上改善目前光子应用中的信号损失。

文章链接:

J. S. T. Smalley, et al, "Luminescent hyperbolic metasurfaces,"Nature Communications8, Article number: 13793 (2017), doi:10.1038/ncomms13793

(本文来源:国防科技网 工业和信息化部电子科学技术情报研究所张慧)

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作者 金陵

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