Результаты, связанные с использованием особого вида стекла, называемого халькогенидом, описаны в двух статьях доцента Массачусетского технологического института Цзюэджуна Ху и более десятка других сотрудников Массачусетского технологического института, Университета Центральной Флориды и университетов Китая и Франции. Статья скоро будет опубликована в журнале Light: Science and Applications.
Ху, это Мертон С. Доцент кафедры материаловедения и инженерии Флемингса говорит, что многие люди интересуются возможностью оптических технологий, которые могут растягиваться и изгибаться, особенно для таких приложений, как устанавливаемые на кожу устройства мониторинга, которые могут непосредственно воспринимать оптические сигналы. Такие устройства могут, например, одновременно определять частоту сердечных сокращений, уровень кислорода в крови и даже артериальное давление.
Устройства для фотоники обрабатывают световые лучи напрямую, используя системы светодиодов, линз и зеркал, изготовленные с использованием тех же процессов, которые используются для производства электронных микрочипов.
Использование световых лучей вместо потока электронов может иметь преимущества для многих приложений; если исходные данные основаны на свете, например, оптическая обработка исключает необходимость в процессе преобразования.
Но большинство современных фотонных устройств изготавливаются из жестких материалов на жестких подложках, говорит Ху, и, таким образом, имеют «внутреннее несоответствие» для приложений, которые «должны быть мягкими, как кожа человека."Но большинство мягких материалов, включая большинство полимеров, имеют низкий показатель преломления, что приводит к плохой способности ограничивать световой луч.
Вместо использования таких гибких материалов Ху и его команда применили новый подход: они сформировали жесткий материал – в данном случае тонкий слой стекла, называемого халькогенидом – в виде пружинной спирали. Подобно тому, как сталь можно заставить растягиваться и сгибаться в форме пружины, конструкция этой стеклянной катушки позволяет ей свободно растягиваться и сгибаться, сохраняя при этом желаемые оптические свойства.
«В итоге получается что-то столь же гибкое, как резина, которое может сгибаться и растягиваться, но при этом имеет высокий показатель преломления и очень прозрачное», – говорит Ху. Испытания показали, что такие пружинные конструкции, сделанные непосредственно на полимерной подложке, могут подвергаться тысячам циклов растяжения без заметного ухудшения их оптических характеристик.
Команда создала множество фотонных компонентов, соединенных между собой гибкими, похожими на пружины волноводами, все в матрице из эпоксидной смолы, которая была сделана более жесткой рядом с оптическими компонентами и более гибкой вокруг волноводов.
По словам Ху, другие виды растяжимой фотоники были сделаны путем внедрения наностержней из более жесткого материала в полимерную основу, но они требуют дополнительных этапов производства и несовместимы с существующими фотонными системами.
Такие гибкие, растягиваемые фотонные схемы также могут быть полезны для приложений, где устройства должны соответствовать неровным поверхностям какого-либо другого материала, например, в тензодатчиках. По словам Ху, оптическая технология очень чувствительна к деформации и может обнаруживать деформации менее одной сотой процента.
Это исследование все еще находится на начальной стадии; Команда Ху пока демонстрировала только отдельные устройства одновременно. «Чтобы это было полезно, мы должны продемонстрировать все компоненты, интегрированные на одном устройстве», – говорит он. Продолжается работа по развитию технологии до того момента, чтобы ее можно было использовать в коммерческих целях, что, по словам Ху, может занять еще два-три года.
В другой статье, опубликованной на прошлой неделе в Nature Photonics, Ху и его сотрудники также разработали новый способ интеграции слоев фотоники, сделанных из халькогенидного стекла и двумерных материалов, таких как графен, с обычной полупроводниковой фотонной схемой. Существующие методы интеграции таких материалов требуют, чтобы они были изготовлены на одной поверхности, а затем сняты и перенесены на полупроводниковую пластину, что значительно усложняет процесс.
Вместо этого новый процесс позволяет изготавливать слои непосредственно на поверхности полупроводника при комнатной температуре, что упрощает изготовление и более точное выравнивание.
В процессе также можно использовать халькогенидный материал в качестве «пассивирующего слоя», чтобы защитить двумерные материалы от разрушения, вызванного внешней влажностью, и как способ управления оптоэлектронными характеристиками двумерных материалов.
По словам Ху, этот метод является универсальным и может быть распространен на другие появляющиеся двумерные материалы помимо графена, чтобы расширить и ускорить их интеграцию с фотонными схемами.