Grandes metalenses são produzidos em grande escala – Physics World

De óculos a telescópios espaciais, as lentes desempenham papéis cruciais em tecnologias que vão desde o mundano até o de ponta. Embora as lentes refrativas tradicionais sejam um bloco de construção fundamental da ótica, elas são volumosas e isso pode restringir a forma como são usadas. As metalenses são muito mais finas que as lentes convencionais e nas últimas duas décadas muito se tem lançado sobre o potencial desses aparelhos, que despontam como uma alternativa promissora.

Metalenses são estruturas finas feitas de arranjos de “metaátomos”, que são motivos com dimensões menores que o comprimento de onda da luz. São esses metaátomos que interagem com a luz e mudam sua direção de propagação.

Ao contrário das lentes refrativas convencionais, as metalenses podem ter menos de um mícron de espessura, reduzindo o volume total dos sistemas ópticos. Eles também podem fornecer desempenho de focagem limitado por difração ideal, evitando alguns problemas associados a lentes refrativas, como aberrações.

Como resultado, os metalenses são uma grande promessa para dispositivos ópticos de encolhimento, o que pode ser útil em uma variedade de aplicações, desde melhores câmeras de telefones celulares até telas vestíveis menos volumosas. No entanto, devido à natureza de seu design intrincado e seus requisitos de material, os metalenses ainda não atingiram a fabricação em massa com viabilidade e custo razoáveis. Agora, uma equipe de pesquisadores da Pohang University of Science and Technology (POSTECH) na Coreia do Sul, liderada por Junsuk Rho, desenvolveu um novo método de fabricar centenas de metalenses de tamanho centimétrico de uma só vez. Em artigo publicado em Nature Materials, eles descrevem como usaram várias técnicas de litografia diferentes e materiais híbridos para criar metalenses para uso em displays e dispositivos de realidade virtual (VR). Em particular, eles mostram como a litografia de nanoimpressão, ou nanocarimbos, pode fornecer uma maneira escalável de baixo custo de produzir metalenses.

Quando lentes grossas convencionais são usadas em ótica, a luz é refratada à medida que viaja entre o ar e o material da lente e vice-versa. É essa refração que altera o caminho da luz e, portanto, é a forma da lente e seu índice de refração que é a base para controlar a luz.

O índice de refração e a forma ainda importam nos metalenses. Mas, como um metalense é macroscopicamente plano, é a forma e a composição dos metaátomos que definem as propriedades ópticas de um dispositivo.

Os metaátomos híbridos da equipe são feitos de uma resina coberta de titânia que é moldada na superfície de substratos de vidro de vários tamanhos, conforme mostrado na figura “Em exibição”. Os metaátomos têm 900 nm de altura, 380 nm de comprimento e 70 nm de largura. O revestimento de titânia tem apenas 23 nm de espessura. Esse tipo de nanopadronização de alta resolução é tradicionalmente caro e só pode ser usado para cobrir pequenas áreas de cada vez.

A tecnologia de silício encontra o nanostamping

Agora, Rho e seus colegas simplificaram a produção de metalenses integrando três tecnologias de fabricação já maduras. Estes são fotolitografia, litografia de nanoimpressão e deposição de camada atômica. A fotolitografia envolve o uso de lasers ultravioleta profundos para criar padrões em pastilhas de silício. Esta é uma técnica padrão na indústria eletrônica e também pode ser usada para fazer metalenses em pequena escala. No entanto, é um processo caro e inviável para a fabricação em larga escala de metalenses.

Em vez de usar fotolitografia ultravioleta profunda para fazer os metalenses, a equipe usou para padronizar um carimbo mestre com 12 polegadas (30 cm) de diâmetro e resolução de 40 nm (consulte a figura “Processo de produção”). O carimbo foi usado para imprimir o inverso da estrutura do metaátomo em uma réplica de molde de silicone macio. A resina líquida foi então despejada no molde de silicone, onde fluiu para os nanosulcos antes de endurecer. Isso permitiu à equipe fazer centenas de metalenses (os cilindros de 1 cm na figura 2) ao mesmo tempo. De fato, as sofisticadas estruturas de superfície mostradas na imagem do microscópio eletrônico de varredura (veja a figura “Processo de produção”) podem ser feitas em menos de 15 minutos.

O índice de refração da resina é muito baixo para fornecer o controle de luz desejado, então uma fina camada de titânia foi depositada no topo da resina para aumentar o índice de refração, bem como aumentar a resistência mecânica da estrutura.

Que haja luz VR

Para demonstrar o potencial de seus metalenses, a equipe os integrou em um protótipo de display VR. Dispositivos de VR comerciais usam reflexão ou difração para projetar imagens virtuais aos olhos do usuário – e isso resulta em dispositivos volumosos que devem acomodar a distância focal apropriada para a ótica. Seu display VR baseado em metalens reduz a distância que a luz tem que percorrer usando um design baseado em transmissão. Isso torna a tela leve e confortável de usar. Embora a equipe tenha testado sua exibição apenas com imagens estáticas, o dispositivo se mostrou promissor ao criar imagens usando luz vermelha, verde e azul; os blocos de construção de telas coloridas (consulte a figura “Protótipo de tela”).

A equipe diz que seu método de fabricação escalável produz metalenses com desempenho superior aos dispositivos feitos com métodos mais tradicionais. Embora ainda haja muito espaço para progresso, o advento dos metalenses produzidos em massa abre as portas para seu uso em biossensores, impressão colorida e hologramas – bem como em telas de realidade virtual.

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