La tecnologia per il controllo dell'assorbimento della luce a determinate lunghezze d'onda nelle nanostrutture ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni; però, sintonizzare dinamicamente le lunghezze d'onda di assorbimento senza modificare anche la geometria della loro struttura è stato alquanto elusivo. Un articolo pubblicato di recente in Rapporti scientifici dal dottor Don Gregory, illustre professore nel Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università dell'Alabama a Huntsville (UAH), e il suo dottorato di ricerca alunno, Seyed Sadreddin Mirshafieyan, propone una soluzione per fare proprio questo.

La loro carta, "Assorbitori di luce perfetti regolabili elettricamente come filtri colorati e modulatori, " teorizza come la tensione, quando applicato a una struttura a nanocavità costituita da un materiale epsilon-near-zero (ENZ) come l'antimonide di indio (InSb), consente la manipolazione in tempo reale delle lunghezze d'onda di assorbimento e dei colori del dispositivo, che potrebbe portare a significativi progressi nei display, commutazione, sensori, e analisi spettrale.

La tecnologia all'avanguardia nei filtri colorati utilizza la cosiddetta nanocavità Fabry-Perot composta da sottili semiconduttori e pellicole metalliche per assorbire la luce a lunghezze d'onda selezionate. Il Dr. Gregory descrive questa nanocavità come analoga ad avere due specchi, uno altamente riflettente e l'altro parzialmente trasmesso, con la luce che entra nello specchio parzialmente trasmittente e rimbalza sullo specchio perfettamente riflettente. "Se la distanza tra gli specchi è giusta, si ottiene un'interferenza costruttiva tra la luce che viaggia nelle due diverse direzioni, " dice. "Ciò significa che puoi scegliere quale lunghezza d'onda viene riflessa da quella superficie." In altre parole, la lunghezza d'onda di assorbimento – o il colore che viene riflesso all'occhio – è controllata dallo spessore della nanocavità.

Fino ad ora, quello spessore è stato determinato da strati fissi sintonizzati per un colore particolare o per un altro. "Ciò significa che per un particolare strato di spessore e un particolare numero di strati, si ottiene un colore particolare riflesso da quella combinazione, " Spiega il Dr. Gregory. "Devi cambiare lo spessore degli strati per ottenere un colore diverso, ma l'idea in questo articolo è che possiamo costruire questi diversi materiali e controllare elettricamente la luce che viene riflessa. Quindi potremmo sintonizzarlo per la luce verde, luce blu, luce rossa cambiando la tensione attraverso gli strati."

Sotto la supervisione del Dr. Gregory, Mirshafieyan ha modellato una struttura in grado di essere sintonizzata elettricamente per diverse lunghezze d'onda di assorbimento e una prima bozza del suo dottorato di ricerca. tesi è stata completata.

La struttura comprende un ultrasottile, materiale ENZ di spessore nanometrico chiamato InSb e uno strato di biossido di titanio (TiO2) inserito tra due specchi d'argento. Lo spessore totale del dispositivo compresi gli specchi, InSb, e TiO2 è inferiore a 200 nm, che è 500 volte più sottile dei capelli umani. InSb è un semiconduttore III-V la cui densità di portante (quando è drogato) è ideale per la modulazione di portante indotta elettricamente, facendolo comportare più come un metallo sotto la giusta tensione applicata. Consapevole di diversi tentativi precedenti, ma spesso incompleti, di ottenere assorbitori di luce perfetti e regolabili elettricamente, note di Mirshafieyan, che "i ricercatori hanno già dimostrato che se si cambia lo spessore della cavità, puoi cambiare il colore, ma questo è difficile nelle applicazioni di visualizzazione in tempo reale perché lo spessore di ogni pixel è fisso. Vogliamo cambiare il colore di ogni pixel in modo dinamico senza modificare fisicamente lo spessore di quel pixel".

Con questi materiali, l'indice di rifrazione cambia con il drogaggio che viene utilizzato all'interno del materiale, che spiega il Dr. Gregory è quanti elettroni o buchi hai aggiunto al materiale semiconduttore di base. "Così, puoi cambiare la sua conduttività, la sua resistività nella realizzazione del materiale o puoi farlo con tensione applicata, " dice. "Non devi cambiare fisicamente la separazione tra gli specchi". Questo può essere più difficile di quanto sembri a seconda delle circostanze. "È abbastanza facile farlo in laboratorio con due specchi. Possiamo cambiare la spaziatura tra gli specchi e possiamo ottenere riflessi di luce di colore diverso, " dice. "Ma avere due specchi che sono fissi e poi cambiare l'indice di rifrazione del materiale all'interno, elettricamente, in tempo reale, è difficile."

Questo doping significa anche che non c'è bisogno di nanopatterning o della creazione di materiali esotici aggiuntivi, ed è questa distinzione che separa la struttura di Mirshafieyan dalle precedenti iterazioni che richiedevano cambiamenti nella geometria strutturale, una distinzione che ha anche implicazioni per l'industria delle telecomunicazioni.

Essere in grado di modificare facilmente l'indice di rifrazione con una bassa tensione applicata aiuta anche a spiegare perché l'uso di InSb al contrario di dire, silicio, può rivelarsi un'opzione materiale migliore nel settore delle telecomunicazioni o degli scambi. L'applicazione di tensione agli interruttori con uno strato attivo di InSb aumenta la densità della portante, E conseguentemente, la permittività, che porta ad una maggiore variazione dell'indice di rifrazione. "È la differenza tra spento e acceso che conta davvero, " dice il dottor Gregory. "Otteniamo una differenza molto più alta tra spento e acceso, il che significa che possiamo eseguire con un tasso di errore molto più basso. E il tasso di errore è tutto nelle telecomunicazioni." Il risultato, perciò, è una commutazione ad altissima velocità.

Silicio, d'altra parte, non produce molti cambiamenti nell'indice con una tensione applicata. Anche con l'aggiunta di altri materiali progettati per migliorare la commutazione, il silicio non può attualmente eguagliare la fedeltà di InSb.

Il Dr. Gregory prevede anche che questa tecnologia potrebbe sostituire del tutto il silicio nel passaggio. E mentre l'uso di InSb non è necessariamente più economico, potrebbe rivelarsi più conveniente a lungo termine a causa di tassi di errore di bit migliorati, per cui le persone sarebbero disposte a pagare.

Per quanto riguarda le applicazioni di visualizzazione, questa tecnologia potrebbe generare display ancora più sottili e veloci di quelli attualmente in commercio, senza gli stessi problemi di controllo della qualità.

L'attuale tecnologia LCD e LED è costituita da diversi componenti oltre al cristallo liquido stesso. "E ogni pila ha uno spessore, " dice Mirshafieyan. "Ma con la tecnologia InSb, puoi combinare tutto È esso stesso un filtro colore." Di conseguenza, molto più sottile, Più veloce, è possibile una visualizzazione ad alta risoluzione.

"Se hai mai provato a guardare una partita di hockey su una TV a cristalli liquidi, non puoi assolutamente seguire il disco sul ghiaccio, e questo perché la TV non può funzionare a velocità sufficientemente elevate, " afferma il dottor Gregory. Ciò è dovuto alle distorsioni dell'immagine create dalla variazione degli strati di molti display a cristalli liquidi e alla velocità di reazione di base.

Però, questi problemi di controllo della qualità potrebbero essere eliminati con la tecnologia proposta dal Dr. Gregory e Mirshafieyan perché consentirebbe una riduzione delle dimensioni dei pixel. "Possiamo creare pixel molto piccoli con questa tecnologia perché non ha alcun nanopatterning che limiti il ​​processo di fabbricazione, " Dice Mirshafieyan. "Possiamo realizzare pixel ultra-ultrapiccoli con colori distinti e ciò migliorerà la qualità del display ben oltre ciò che è disponibile ora".