Формула, разработанная инженерами Rice, определяет материалы для 3D-дисплеев и виртуальной реальности.
Если вы собираетесь нарушить правило со стилем, убедитесь, что это видят все. Это цель инженеров Университета Райса, которые стремятся улучшить экраны для виртуальной реальности, 3D-дисплеи и оптические технологии в целом.
Правило Мосса, которое описывает компромисс между оптическим поглощением материала и тем, как он преломляет свет, было нарушено Гурураджем Найком, адъюнкт-профессором электротехники и вычислительной техники в инженерной школе Джорджа Р. Брауна Райса, и выпускницей программы прикладной физики Хлоей Дойрон. Он сделал это, разработав метод манипулирования светом на наноуровне, который нарушает правило Мосса.
По-видимому, это скорее руководство, чем правило, поскольку существует несколько полупроводников “супер-моссиан”. Один из них - железный пирит, широко известный как золото дурака.
Наик, Дойрон и соавтор Джейкоб Хургин, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Джона Хопкинса, обнаружили, что железный пирит особенно хорошо работает в качестве нанофотонного материала. Недавно они опубликовали свои результаты в журнале Advanced Optical Materials, которые могут привести к созданию более качественных и компактных дисплеев для носимой электроники.
Что еще более важно, они разработали методику обнаружения материалов, которые бросают вызов правилу Moss и обеспечивают выгодные светопропускающие свойства для дисплеев и сенсорных приложений.
“В оптике мы по-прежнему ограничены очень небольшим количеством материалов”, - сказал Наик. “Наша периодическая таблица действительно мала. Но есть так много материалов, которые просто неизвестны, просто потому, что мы не разработали никакого представления о том, как их найти. Это то, что мы хотели показать: есть физика, которую можно применить здесь, чтобы составить краткий список материалов, а затем помочь нам найти те, которые могут удовлетворить любые промышленные потребности”, - сказал он.
“Допустим, я хочу спроектировать светодиод или волновод, работающий на заданной длине волны, скажем, 1,5 микрометра”, - сказал Наик. “Для этой длины волны мне нужен наименьший возможный волновод, который имеет наименьшие потери, а это значит, что он может наилучшим образом ограничивать свет”.
По словам Мосса, выбор материала с максимально возможным показателем преломления на этой длине волны обычно гарантирует успех. “Как правило, это требование ко всем оптическим устройствам на наноуровне”, - сказал он. “Материалы должны иметь запрещенную зону немного выше интересующей длины волны, потому что именно там мы начинаем видеть, как проникает меньше света.
“Кремний имеет показатель преломления около 3,4 и является золотым стандартом”, - сказал Наик. “Но мы начали спрашивать, можем ли мы выйти за пределы кремния до индекса 5 или 10”.
Это побудило их искать другие оптические варианты. Для этого они разработали свою формулу для идентификации супермоссианских диэлектриков.
“В этой работе мы даем людям рецепт, который можно применить к общедоступной базе данных материалов, чтобы идентифицировать их”, - сказал Наик.
Исследователи остановились на экспериментах с железным пиритом, применив свою теорию к базе данных из 1056 соединений, выполнив поиск в трех диапазонах запрещенной зоны для соединений с самыми высокими показателями преломления. Три соединения наряду с пиритом были идентифицированы как кандидаты на супермоссианство, но низкая стоимость пирита и его длительное использование в фотоэлектрических и каталитических приложениях сделали его лучшим выбором для экспериментов.
“Золото дурака традиционно изучалось в астрофизике, потому что оно обычно встречается в межзвездном мусоре”, - сказал Наик. “Но в контексте оптики это малоизвестно”.
Он отметил, что железный пирит был изучен для использования в солнечных элементах. “В этом контексте они продемонстрировали оптические свойства в видимом диапазоне длин волн, где это действительно с потерями”, - сказал он. “Но это стало для нас ключом к разгадке, потому что, когда что-то имеет чрезвычайно низкие потери на видимых частотах, оно, вероятно, будет иметь очень высокий показатель преломления в ближнем инфракрасном диапазоне”.
Итак, лаборатория изготовила пленки из железного колчедана оптического качества. Испытания материала показали показатель преломления 4,37 при ширине запрещенной зоны 1,03 электрон-вольт, что примерно на 40% превышает показатели, предсказанные правилом Мосса.
Это здорово, сказал Наик, но протокол поиска может — и, скорее всего, найдет — найти материалы, которые еще лучше.
“Есть много кандидатов, некоторые из которых даже не были выдвинуты”, - сказал он.
