Μεγάλα μεταλλένια παράγονται σε μαζική κλίμακα - Physics World

Από τα γυαλιά μέχρι τα διαστημικά τηλεσκόπια, οι φακοί διαδραματίζουν κρίσιμους ρόλους σε τεχνολογίες που κυμαίνονται από την καθημερινή μέχρι την αιχμή. Ενώ οι παραδοσιακοί διαθλαστικοί φακοί είναι ένα θεμελιώδες δομικό στοιχείο της οπτικής, είναι ογκώδεις και αυτό μπορεί να περιορίσει τον τρόπο χρήσης τους. Οι μεταλλικοί φακοί είναι πολύ πιο λεπτοί από τους συμβατικούς φακούς και τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει εκτοξευθεί άφθονο φως στις δυνατότητες αυτών των συσκευών, οι οποίες αστράφτουν ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση.

Τα μέταλλα είναι λεπτές δομές κατασκευασμένες από συστοιχίες «μετα-ατόμων», τα οποία είναι μοτίβα με διαστάσεις μικρότερες από το μήκος κύματος του φωτός. Αυτά τα μετα-άτομα είναι που αλληλεπιδρούν με το φως και αλλάζουν την κατεύθυνση διάδοσής του.

Σε αντίθεση με τους συμβατικούς διαθλαστικούς φακούς, οι μεταλλένσες μπορεί να έχουν πάχος μικρότερο από ένα μικρό, μειώνοντας τον συνολικό όγκο των οπτικών συστημάτων. Μπορούν επίσης να παρέχουν ιδανική απόδοση εστίασης περιορισμένης περίθλασης, αποφεύγοντας παράλληλα ορισμένα προβλήματα που σχετίζονται με τους διαθλαστικούς φακούς, όπως οι εκτροπές.

Ως αποτέλεσμα, τα metalenses υπόσχονται πολλά για τη συρρίκνωση των οπτικών συσκευών, οι οποίες θα μπορούσαν να είναι χρήσιμες σε μια σειρά εφαρμογών, από καλύτερες κάμερες κινητών τηλεφώνων έως λιγότερο ογκώδεις φορητές οθόνες. Ωστόσο, λόγω της φύσης του περίπλοκου σχεδιασμού τους και των απαιτήσεων υλικών τους, τα μεταλλεύματα δεν έχουν ακόμη φτάσει σε μαζική παραγωγή με λογικές δυνατότητες και κόστος. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας Pohang (POSTECH) στη Νότια Κορέα, με επικεφαλής τον Junsuk Rho, ανέπτυξε μια νέα μέθοδο κατασκευής εκατοντάδων μεταλλικών σε μέγεθος εκατοστών ταυτόχρονα. Σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε στο Φύση Υλικά, περιγράφουν πώς χρησιμοποίησαν πολλές διαφορετικές τεχνικές λιθογραφίας και υβριδικά υλικά για τη δημιουργία μεταλλικών για χρήση σε οθόνες και συσκευές εικονικής πραγματικότητας (VR). Συγκεκριμένα, δείχνουν πώς η λιθογραφία νανοαποτυπώματος, ή οι νανοστάμπες, μπορεί να παρέχει έναν χαμηλού κόστους επεκτάσιμο τρόπο παραγωγής μεταλλενσών.

Όταν χρησιμοποιούνται συμβατικοί χοντροί φακοί στην οπτική, το φως διαθλάται καθώς ταξιδεύει μεταξύ του αέρα και του υλικού του φακού και αντίστροφα. Αυτή η διάθλαση είναι που αλλάζει τη διαδρομή του φωτός και επομένως είναι το σχήμα του φακού και ο δείκτης διάθλασής του που είναι η βάση για τον έλεγχο του φωτός.

Ο δείκτης διάθλασης και το σχήμα εξακολουθούν να έχουν σημασία στα μεταλλικά. Όμως, επειδή ένα metalenses είναι μακροσκοπικά επίπεδο, είναι το σχήμα και η σύνθεση των μετα-ατόμων που καθορίζουν τις οπτικές ιδιότητες μιας συσκευής.

Τα υβριδικά μετα-άτομα της ομάδας είναι κατασκευασμένα από ρητίνη καλυμμένη με τιτάνια που χυτεύεται στην επιφάνεια γυάλινων υποστρωμάτων διαφόρων μεγεθών, όπως φαίνεται στην εικόνα «Στην οθόνη». Τα μετα-άτομα έχουν ύψος 900 nm, μήκος 380 nm και πλάτος 70 nm. Η επίστρωση Titania έχει πάχος μόνο 23 nm. Αυτός ο τύπος νανομοτίβου υψηλής ανάλυσης είναι παραδοσιακά ακριβός και μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο για την κάλυψη μικρών περιοχών ταυτόχρονα.

Η τεχνολογία πυριτίου συναντά τη νανοσφραγίδα

Τώρα, ο Rho και οι συνεργάτες του έχουν απλοποιήσει την παραγωγή μεταλλενσών ενσωματώνοντας τρεις ήδη ώριμες τεχνολογίες κατασκευής. Αυτές είναι η φωτολιθογραφία, η λιθογραφία νανοαποτυπώματος και η εναπόθεση ατομικού στρώματος. Η φωτολιθογραφία περιλαμβάνει τη χρήση λέιζερ βαθιάς υπεριώδους ακτινοβολίας για τη δημιουργία σχεδίων σε γκοφρέτες πυριτίου. Αυτή είναι μια τυπική τεχνική στη βιομηχανία ηλεκτρονικών και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μεταλλικών μεταλλικών στοιχείων μικρής κλίμακας. Ωστόσο, είναι μια δαπανηρή διαδικασία που δεν είναι βιώσιμη για τη μεγάλης κλίμακας παραγωγή μεταλλενίων.

Αντί της χρήσης βαθιάς υπεριώδους φωτολιθογραφίας για την κατασκευή των μεταλλενσών, χρησιμοποιήθηκε από την ομάδα για να σχεδιάσει μια κύρια σφραγίδα με διάμετρο 12 ίντσες (30 cm) και ανάλυση χαρακτηριστικών 40 nm (βλ. σχήμα «Διαδικασία παραγωγής»). Η σφραγίδα χρησιμοποιήθηκε για να αποτυπώσει το αντίστροφο της δομής του μετα-ατόμου σε ένα καλούπι αντίγραφο από μαλακή σιλικόνη. Στη συνέχεια, η υγρή ρητίνη χύθηκε στο καλούπι σιλικόνης, όπου έρεε στις νανοαυλακώσεις πριν σκληρυνθεί. Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να κατασκευάσει εκατοντάδες μεταλλένσες (οι κύλινδροι 1 cm στο σχήμα 2) ταυτόχρονα. Πράγματι, οι εξελιγμένες επιφανειακές δομές που φαίνονται στην εικόνα του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (βλ. εικόνα «Διαδικασία παραγωγής») μπορούν να κατασκευαστούν σε λιγότερο από 15 λεπτά.

Ο δείκτης διάθλασης της ρητίνης είναι πολύ χαμηλός για να παρέχει τον επιθυμητό έλεγχο του φωτός, έτσι ένα λεπτό στρώμα τιτανίας εναποτέθηκε πάνω από τη ρητίνη για να αυξηθεί ο δείκτης διάθλασης καθώς και να ενισχυθεί η μηχανική αντοχή της κατασκευής.

Ας υπάρχει ελαφρύ VR

Για να αποδείξει τις δυνατότητες των μεταλλικών τους στοιχείων, η ομάδα τα ενσωμάτωσε σε μια πρωτότυπη οθόνη VR. Οι εμπορικές συσκευές VR χρησιμοποιούν ανάκλαση ή περίθλαση για να προβάλλουν εικονικές εικόνες στα μάτια του χρήστη – και αυτό έχει ως αποτέλεσμα ογκώδεις συσκευές που πρέπει να έχουν την κατάλληλη εστιακή απόσταση για τα οπτικά. Η οθόνη VR που βασίζεται σε μέταλλα μειώνει την απόσταση που πρέπει να διανύσει το φως χρησιμοποιώντας ένα σχέδιο που βασίζεται στη μετάδοση. Αυτό κάνει την οθόνη ελαφριά και άνετη στη χρήση. Αν και η ομάδα δοκίμασε την οθόνη της μόνο με στατικές εικόνες, η συσκευή έδειξε πολλά υποσχόμενη δημιουργώντας εικόνες χρησιμοποιώντας κόκκινο, πράσινο και μπλε φως. τα δομικά στοιχεία όλων των έγχρωμων οθονών (βλ. εικόνα «Πρωτότυπο οθόνη»).

Η ομάδα λέει ότι η κλιμακούμενη μέθοδος κατασκευής της παράγει μεταλλικές ουσίες με υψηλότερη απόδοση από τις συσκευές που κατασκευάζονται με πιο παραδοσιακές μεθόδους. Ενώ υπάρχει ακόμη πολύς χώρος για πρόοδο, η έλευση των μεταλλικών ουσιών μαζικής παραγωγής ανοίγει την πόρτα για τη χρήση τους σε βιοαισθητήρες, έγχρωμες εκτυπώσεις και ολογράμματα – καθώς και οθόνες VR.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/large-metalenses-are-produced-on-a-mass-scale/