I grandi metalli sono prodotti su scala di massa - Physics World

Dagli occhiali ai telescopi spaziali, le lenti svolgono un ruolo cruciale nelle tecnologie che vanno dal banale all'avanguardia. Mentre le lenti rifrattive tradizionali sono un elemento fondamentale dell'ottica, sono ingombranti e questo può limitare il modo in cui vengono utilizzate. Le lenti in metallo sono molto più sottili delle lenti convenzionali e negli ultimi due decenni è stata fatta molta luce sulle potenzialità di questi dispositivi, che brillano come un'alternativa promettente.

I metalensi sono strutture sottili costituite da matrici di "meta-atomi", che sono motivi con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce. Sono questi meta-atomi che interagiscono con la luce e ne cambiano la direzione di propagazione.

A differenza delle lenti rifrattive convenzionali, le lenti metalliche possono avere uno spessore inferiore a un micron, riducendo il volume complessivo dei sistemi ottici. Possono anche fornire prestazioni ideali di messa a fuoco limitata dalla diffrazione, evitando alcuni problemi associati alle lenti rifrattive come le aberrazioni.

Di conseguenza, i metalensi mostrano una grande promessa per la riduzione dei dispositivi ottici, che potrebbero essere utili in una vasta gamma di applicazioni, dalle migliori fotocamere dei telefoni cellulari ai display indossabili meno ingombranti. Tuttavia, a causa della natura del loro intricato design e dei loro requisiti di materiale, i metalensi devono ancora raggiungere la produzione di massa a costi e fattibilità ragionevoli. Ora, un team di ricercatori della Pohang University of Science and Technology (POSTECH) in Corea del Sud, guidato da Junsuk Rho, ha sviluppato un nuovo metodo per fabbricare centinaia di metalensi di dimensioni centimetriche tutti in una volta. In un articolo pubblicato in Nature Materials, descrivono come hanno utilizzato diverse tecniche di litografia e materiali ibridi per creare metalensi da utilizzare in display e dispositivi di realtà virtuale (VR). In particolare, mostrano come la litografia a nanoimprint, o nanostamp, possa fornire un modo scalabile a basso costo per produrre metalensi.

Quando si utilizzano lenti spesse convenzionali in ottica, la luce viene rifratta mentre viaggia tra l'aria e il materiale della lente e viceversa. È questa rifrazione che cambia il percorso della luce e quindi è la forma della lente e il suo indice di rifrazione che è la base per controllare la luce.

L'indice di rifrazione e la forma contano ancora nei metalensi. Ma, poiché un metalenses è macroscopicamente piatto, sono la forma e la composizione dei meta-atomi che definiscono le proprietà ottiche di un dispositivo.

I meta-atomi ibridi del team sono costituiti da una resina ricoperta di titanio che viene modellata sulla superficie di substrati di vetro di varie dimensioni, come mostrato nella figura “In mostra”. I meta-atomi sono alti 900 nm, lunghi 380 nm e larghi 70 nm. Il rivestimento in titanio ha uno spessore di soli 23 nm. Questo tipo di nanopatterning ad alta risoluzione è tradizionalmente costoso e può essere utilizzato solo per coprire piccole aree contemporaneamente.

La tecnologia del silicio incontra il nanostampaggio

Ora, Rho e colleghi hanno semplificato la produzione di metalenses integrando tre tecnologie di fabbricazione già mature. Si tratta di fotolitografia, litografia a nanoimpronta e deposizione di strati atomici. La fotolitografia prevede l'utilizzo di laser ultravioletti profondi per creare modelli su wafer di silicio. Questa è una tecnica standard nell'industria elettronica e può essere utilizzata anche per realizzare metalles su piccola scala. Tuttavia, è un processo costoso che non è praticabile per la produzione su larga scala di metalli.

Invece di utilizzare la fotolitografia ultravioletta profonda per realizzare i metalensi, è stata utilizzata dal team per modellare un timbro principale di 12 pollici (30 cm) di diametro e con una risoluzione delle caratteristiche di 40 nm (vedere la figura "Processo di produzione"). Il timbro è stato utilizzato per imprimere l'inverso della struttura del meta-atomo in uno stampo replica in morbido silicone. La resina liquida è stata quindi versata nello stampo in silicone, dove è fluita nelle nanoscanalature prima dell'indurimento. Ciò ha permesso al team di realizzare centinaia di metalensi (i cilindri da 1 cm nella figura 2) contemporaneamente. Infatti, le sofisticate strutture superficiali mostrate nell'immagine al microscopio elettronico a scansione (vedi figura "Processo di produzione") possono essere realizzate in meno di 15 minuti.

L'indice di rifrazione della resina è troppo basso per fornire il controllo desiderato della luce, quindi un sottile strato di titania è stato depositato sopra la resina per aumentare l'indice di rifrazione e aumentare la resistenza meccanica della struttura.

Lascia che ci sia luce VR

Per dimostrare il potenziale dei loro metalensi, il team li ha integrati in un prototipo di display VR. I dispositivi VR commerciali utilizzano la riflessione o la diffrazione per proiettare immagini virtuali agli occhi dell'utente, e questo si traduce in dispositivi ingombranti che devono adattarsi alla lunghezza focale appropriata per l'ottica. Il loro display VR basato su metalens riduce la distanza che la luce deve percorrere utilizzando un design basato sulla trasmissione. Ciò rende il display leggero e comodo da indossare. Sebbene il team abbia testato il display solo con immagini statiche, il dispositivo ha mostrato risultati promettenti creando immagini utilizzando luce rossa, verde e blu; gli elementi costitutivi dei display a tutti i colori (vedi figura “Display prototipo”).

Il team afferma che il loro metodo di fabbricazione scalabile produce metalensi con prestazioni più elevate rispetto ai dispositivi realizzati con metodi più tradizionali. Sebbene ci sia ancora molto spazio per il progresso, l'avvento dei metalensi prodotti in serie apre la porta al loro utilizzo nei biosensori, nella stampa a colori e negli ologrammi, nonché nei display VR.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/large-metalenses-are-produced-on-a-mass-scale/