Reis-„Metalens“ könnten das UV-Markenvakuum stören

Bild: Catherine Arndt, Doktorandin an der Rice University, half bei der Entwicklung einer potenziell disruptiven Technologie für ultraviolette Optik, einer Festkörper-„Metalllinse“, die langwellige UV-Strahlung in fokussierte „Vakuum-UV“-Strahlung umwandelt.
Aussicht das Meer

Bildnachweis: Jeff Fitlow / Rice University

HOUSTON – (5. Mai 2022) – Photonikforscher der Rice University haben eine potenziell bahnbrechende Technologie für den UV-Optikmarkt entwickelt.

Durch präzises Ätzen von Hunderten winziger Dreiecke auf der Oberfläche eines mikroskopisch kleinen Films aus Zinkoxid, Pionier der Nanophotonik Naomi Halas und Kollegen schufen eine „Metalllinse“, die einfallendes langwelliges UV (UV-A) in eine fokussierte Ausgabe von umwandelt Vakuum-UV (VUV)-Strahlung. VUV wird in der Halbleiterherstellung, Photochemie und Materialwissenschaft verwendet und war in der Vergangenheit kostspielig zu handhaben, teilweise weil es von fast allen Glasarten absorbiert wird, die zur Herstellung herkömmlicher Linsen verwendet werden.

„Diese Arbeit ist angesichts der jüngsten Demonstrationen, mit denen Chiphersteller die Produktion von Metaoberflächen skalieren können, besonders vielversprechend CMOS-kompatibel Prozesse “, sagte Halas, Co-korrespondierender Autor einer Metalens Demonstrationsstudie veröffentlicht in Wissenschaftliche Fortschritte. “Dies ist eine grundlegende Studie, aber sie weist eindeutig auf eine neue Strategie für die Hochdurchsatzfertigung von kompakten optischen VUV-Komponenten und -Geräten hin.”

Das Team von Halas zeigte, dass seine mikroskopisch kleinen Metalle 394-Nanometer-UV in eine fokussierte Ausgabe von 197-Nanometer-VUV umwandeln können. Die scheibenförmige Metalens ist eine transparente Schicht aus Zinkoxid, die dünner als ein Blatt Papier ist und nur einen Durchmesser von 45 Millionstel Metern hat. Bei der Demonstration wurde ein 394-Nanometer-UV-A-Laser auf die Rückseite der Scheibe gerichtet, und die Forscher maßen das Licht, das von der anderen Seite austrat.

Co-Erstautor der Studie Katharina Arndtein Doktorand der angewandten Physik in Forschungsgruppe von Halassagte, das Hauptmerkmal der Metalens sei ihre Grenzfläche, eine Vorderfläche, die mit konzentrischen Kreisen aus winzigen Dreiecken übersät ist.

„An der Schnittstelle findet die gesamte Physik statt“, sagte sie. „Wir verleihen tatsächlich eine Phasenverschiebung und ändern sowohl die Geschwindigkeit, in der sich das Licht bewegt, als auch die Richtung, in die es sich ausbreitet. Wir müssen die Lichtleistung nicht sammeln, weil wir sie mithilfe der Elektrodynamik an die Schnittstelle umleiten, wo wir sie erzeugen.“

Violettes Licht hat die niedrigste für den Menschen sichtbare Wellenlänge. Ultraviolett hat sogar noch niedrigere Wellenlängen, die von 400 Nanometer bis 10 Nanometer reichen. Vakuum-UV mit Wellenlängen zwischen 100-200 Nanometern wird so genannt, weil es stark von Sauerstoff absorbiert wird. Die Verwendung von VUV-Licht erfordert heute typischerweise eine Vakuumkammer oder eine andere spezialisierte Umgebung sowie Maschinen zur Erzeugung und Fokussierung von VUV.

„Herkömmliche Materialien erzeugen normalerweise kein VUV“, sagt Arndt. „Es ist heute mit gemacht nichtlineare Kristalle, die sperrig, teuer und oft exportkontrolliert sind. Das Ergebnis ist, dass VUV ziemlich teuer ist.“

In vorherige ArbeitHalas, Reisphysiker Peter Nordländer, ehemaliger Rice Ph.D. Schüler Michael Semlinger und andere demonstrierten, dass sie 394-Nanometer-UV in 197-Nanometer-VUV mit einer Zinkoxid-Metaoberfläche umwandeln konnten. Wie bei den Metallen war die Metaoberfläche ein transparenter Film aus Zinkoxid mit einer gemusterten Oberfläche. Aber das erforderliche Muster war nicht so komplex, da es die Lichtleistung nicht fokussieren musste, sagte Arndt.

„Metalenses nutzen die Tatsache, dass sich die Eigenschaften von Licht ändern, wenn es auf eine Oberfläche trifft“, sagte sie. „Zum Beispiel bewegt sich Licht schneller durch Luft als durch Wasser. Deshalb gibt es Reflexionen auf der Oberfläche eines Teichs. Die Wasseroberfläche ist die Grenzfläche, und wenn Sonnenlicht auf die Grenzfläche trifft, wird ein wenig davon reflektiert.“

Die frühere Arbeit zeigte, dass eine Metaoberfläche VUV erzeugen kann, indem langwelliges UV über einen sogenannten Frequenzverdopplungsprozess hochkonvertiert wird Erzeugung der zweiten Harmonischen. Aber VUV ist teilweise kostspielig, weil es teuer zu manipulieren ist, nachdem es produziert wurde. Kommerziell erhältliche Systeme dafür können Schränke so groß wie Kühlschränke oder Kleinwagen füllen und Zehntausende von Dollar kosten, sagte sie.

„Für einen Metalens versucht man, das Licht sowohl zu erzeugen als auch zu manipulieren“, sagte Arndt. „Im sichtbaren Wellenlängenbereich ist die Metalens-Technologie sehr effizient geworden. Virtual-Reality-Headsets nutzen das. Metalenses wurden in den letzten Jahren auch für sichtbare und infrarote Wellenlängen demonstriert, aber niemand hatte dies bei kürzeren Wellenlängen getan. Und viele Materialien absorbieren VUV. Für uns war es also nur eine allgemeine Herausforderung zu sehen: ‚Können wir das schaffen?‘“

Um die Metalens zu machen, arbeitete Arndt mit einem Co-Korrespondenzautor zusammen Din Ping Tsai der City University of Hong Kong, der bei der Herstellung der komplizierten Metalens-Oberfläche half, und mit drei Co-Erstautoren: Semmlinger, der 2020 seinen Abschluss an der Rice machte, Ming Zhangder 2021 seinen Abschluss an der Rice machte, und Ming Lun TsengAssistenzprofessor an der National Yang Ming Chiao Tung University in Taiwan.

Tests bei Rice zeigten, dass die Metalens ihren 197-Nanometer-Ausgang auf einen Punkt mit einem Durchmesser von 1,7 Mikrometern fokussieren konnten, wodurch die Leistungsdichte des Lichtausgangs um das 21-fache erhöht wurde.

Arndt sagte, es sei noch zu früh zu sagen, ob die Technologie mit modernen VUV-Systemen konkurrieren könne.

“In dieser Phase ist es wirklich grundlegend”, sagte sie. „Aber es hat viel Potenzial. Es könnte viel effizienter gemacht werden. Bei dieser ersten Studie lautete die Frage: “Funktioniert es?” In der nächsten Phase fragen wir uns: ‚Wie viel besser können wir es machen?‘“

Halas ist Stanley C. Moore-Professor für Elektro- und Computertechnik bei Rice, Direktor von Rice Smalley-Curl-Institut und Professor für Chemie, Bioingenieurwesen, Physik und Astronomie sowie Materialwissenschaften und Nanoingenieurwesen. Nordlander, Co-Autor der Studie, ist am Wiess-Lehrstuhl und Professor für Physik und Astronomie sowie Professor für Elektrotechnik und Informationstechnik sowie Materialwissenschaft und Nanotechnik.

Weitere Co-Autoren der Studie sind Benjamin Cerjan und Jian Yang von Rice; Tzu-Ting Huang und Cheng Hung Chu von der Academia Sinica in Taiwan; Hsin Yu Kuo von der National Taiwan University; Vin-Cent Su von der National United University in Taiwan; und Mu Ku Chen von der City University of Hong Kong.

Die Forschung wurde von Taiwans Ministerium für Wissenschaft und Technologie (107-2311-B-002-022-MY3, 108-2221-E-002-168-MY4, 110-2636-M-A49-001) und der National Taiwan University finanziert (107-L7728, 107-L7807, YIH-08HZT49001), die Shenzhen Science and Technology Innovation Commission (SGDX2019081623281169), das University Grants Committee / Research Grants Council der chinesischen Sonderverwaltungszone Hongkong (AoE / P-502/20), die Abteilung für Wissenschaft und Technologie der chinesischen Provinz Guangdong (2020B1515120073), die Abteilung für Elektrotechnik der Hong Kong City University (9380131), das Yushan Young Scholar Program des taiwanischen Bildungsministeriums, das Forschungszentrum für angewandte Wissenschaften an der taiwanesischen Academia Sinica, die Robert A. Welch Foundation (C-1220, C-1222), der National Science Foundation (1610229, 1842494), dem Air Force Office of Scientific Research (MURI FA9550-15-1-0022) und der Defense Threat Reduction Agency HDTRA1- 16-1-0042).

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Begutachtete Studie:

“Vakuum-Ultraviolett-nichtlineare Materialien”, Wissenschaftliche Fortschritte
https://doi.org/10.1126 / sciadv.abn5644

Bild-Downloads:

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Bildunterschrift: Catherine Arndt, Doktorandin an der Rice University, half bei der Entwicklung einer potenziell disruptiven Technologie für ultraviolette Optik, einer Festkörper-„Metalllinse“, die langwellige UV-Strahlung in fokussierte „Vakuum-UV“-Strahlung umwandelt. (Foto von Jeff Fitlow / Rice University)

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Bildunterschrift: Durch präzises Ätzen von Hunderten winziger dreieckiger Nanoresonatoren in genau konfigurierten konzentrischen Kreisen auf einem mikroskopisch kleinen Film aus Zinkoxid schufen Photonikforscher der Rice University eine „Metalens“, ein transparentes Festkörpergerät, das dünner als ein Blatt Papier ist und Licht beugt wie ein herkömmliches Objektiv. Rice’s Metalens wandelt 394-Nanometer-Ultraviolettlicht (blau) in 197-Nanometer-Vakuum-UV-Licht (rosa) um und fokussiert gleichzeitig den VUV-Ausgang auf einen kleinen Fleck mit weniger als 2 Millionstel Meter Durchmesser. (Infografik von M. Semmlinger / Rice University)

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UNTERSCHRIFT: Catherine Arndt ist Doktorandin in Angewandter Physik an der Rice University. (Foto von Jeff Fitlow / Rice University)

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Bildunterschrift: Naomi Halas von der Rice University ist Ingenieurin, Chemikerin und Pionierin auf dem Gebiet lichtaktivierter Nanomaterialien. (Foto von Jeff Fitlow / Rice University)

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Die Rice University befindet sich auf einem 300 Hektar großen bewaldeten Campus in Houston und wird durchweg unter den Nationen eingestuft‘s Top 20 Universitäten von US News & World Report. Rice hat hoch angesehene Schulen für Architektur, Wirtschaft, Weiterbildung, Ingenieurwesen, Geisteswissenschaften, Musik, Naturwissenschaften und Sozialwissenschaften und beherbergt das Baker Institute for Public Policy. Mit 4.052 Studenten und 3.484 Doktoranden liegt das Verhältnis von Studenten zu Fakultäten in Rice bei knapp 6 zu 1. Sein Wohn-College-System baut enge Gemeinschaften und lebenslange Freundschaften auf, nur ein Grund, warum Rice auf Platz Nr. 1 für viel Rassen-/Klasseninteraktion und Nr. 1 für Lebensqualität von der Princeton Review. Reis wird auch von Kiplinger’s Personal Finance als bestes Preis-Leistungs-Verhältnis unter den privaten Universitäten eingestuft.


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