Tekniken för att kontrollera ljusabsorption vid utvalda våglängder i nanostrukturer har fått stor uppmärksamhet de senaste åren; dock, att dynamiskt ställa in absorptionsvåglängder utan att också ändra geometrin på deras struktur har varit något svårfångad. En nyligen publicerad tidning i Vetenskapliga rapporter av Dr Don Gregory, framstående professor vid institutionen för fysik och astronomi vid University of Alabama i Huntsville (UAH), och hans Ph.D. studerande, Seyed Sadreddin Mirshafieyan, föreslår en lösning för att göra just detta.

Deras papper, "Elektriskt inställbara perfekta ljusabsorbenter som färgfilter och modulatorer, "teoretiserar hur spänning, när den appliceras på en nanokavitetsstruktur gjord av ett epsilon-nära-noll-material (ENZ) såsom indiumantimonid (InSb), möjliggör realtidsmanipulation av absorptionsvåglängder och enhetsfärger, vilket kan leda till betydande framsteg inom displayer, växlande, sensorer, och spektralanalys.

Den senaste tekniken inom färgfilter använder vad som är känt som en Fabry-Perot nanokavitet som består av tunna halvledar- och metallfilmer för att absorbera ljus vid utvalda våglängder. Dr. Gregory beskriver denna nanokavitet som analog med att ha två speglar, den ena mycket reflekterande och den andra delvis överförd, med ljus som kommer in i den delvis sändande spegeln och studsar mot den perfekt reflekterande spegeln. "Om spegelavståndet är precis rätt, du får konstruktiv interferens mellan ljus som färdas i de två olika riktningarna, " säger han. "Det betyder att du kan välja vilken våglängd som reflekteras från den ytan." Med andra ord, absorptionsvåglängden – eller färgen som reflekteras tillbaka till ögat – styrs av tjockleken på nanokavitet.

Tills nu, den tjockleken har bestämts av fasta lager avstämda för en viss färg eller annan. "Det betyder för ett visst lager av tjocklek och ett visst antal lager, du får en speciell färg reflekterad från den kombinationen, " Dr. Gregory förklarar. "Du måste ändra tjockleken på lagren för att få en annan färg, men tanken i detta dokument är att vi kan bygga dessa olika material och elektriskt styra ljuset som reflekteras tillbaka. Så vi kunde ställa in den för grönt ljus, blåljus, rött ljus genom att ändra spänningen över lagren."

Under Dr. Gregorys överinseende, Mirshafieyan har modellerat en struktur som kan ställas in elektriskt för olika absorptionsvåglängder och ett första utkast till sin doktorsexamen. avhandlingen har avslutats.

Strukturen består av en ultratunn, nanometertjockt ENZ-material som kallas InSb och ett titandioxidskikt (TiO2) inklämt mellan två silverspeglar. Den totala tjockleken på enheten inklusive speglarna, InSb, och TiO2 är mindre än 200 nm, som är 500 gånger tunnare än människohår. InSb är en III-V-halvledare vars bärartäthet (när den är dopad) är idealisk för elektriskt inducerad bärarmodulering, vilket gör att den beter sig mer som en metall under rätt pålagd spänning. Medveten om flera tidigare men ofta ofullständiga försök att uppnå elektriskt inställbara perfekta ljusabsorbenter, Mirshafieyan noterar, att "forskare har redan visat att om du ändrar tjockleken på kaviteten, du kan ändra färg, men det är svårt i realtidsvisningsprogram eftersom tjockleken på varje pixel är fast. Vi vill ändra färgen på varje pixel dynamiskt utan att fysiskt ändra tjockleken på den pixeln."

Med dessa material, brytningsindex ändras med dopningen som används inuti materialet, som Dr. Gregory förklarar är hur många elektroner eller hål du har lagt till det grundläggande halvledarmaterialet. "Så, du kan ändra dess ledningsförmåga, dess resistivitet vid tillverkningen av materialet eller så kan du göra det med applicerad spänning, " säger han. "Du behöver inte fysiskt ändra separationen mellan speglar." Detta kan vara svårare än det låter beroende på omständigheterna. "Det är lätt nog att göra det i labbet med två speglar. Vi kan ändra avståndet mellan speglarna och vi kan få ljus i olika färger reflekterat, " säger han. "Men att ha två speglar som är fixerade och sedan ändra brytningsindex för materialet inuti, elektriskt, i realtid, det är tufft."

Denna dopning innebär också att det inte finns något behov av nanomönster eller skapandet av ytterligare exotiska material, och det är denna distinktion som skiljer Mirshafieyans struktur från tidigare iterationer som krävde förändringar i strukturell geometri – en distinktion som också har konsekvenser för telekommunikationsindustrin.

Att enkelt kunna ändra brytningsindex med en låg pålagd spänning hjälper också till att förklara varför användningen av InSb i motsats till att säga, kisel, kan visa sig vara ett bättre materialalternativ inom telekommunikations- eller bytesindustrin. Att lägga spänning på omkopplare med ett aktivt lager av InSb ökar bärardensiteten, och följaktligen, permittiviteten, vilket leder till en större förändring av brytningsindex. "Det är skillnaden mellan av och på som verkligen betyder något, " säger Dr. Gregory. "Vi får mycket större skillnad mellan av och på, vilket gör att vi kan köra med en mycket lägre felfrekvens. Och felfrekvensen är allt inom telekommunikation." Resultatet, därför, är mycket höghastighetsväxling.

Kisel, å andra sidan, producerar inte mycket förändring i index med en applicerad spänning. Även med tillägg av andra material utformade för att förbättra växlingen, kisel kan för närvarande inte matcha troheten hos InSb.

Dr. Gregory förutser också att denna teknik helt och hållet kan ersätta kisel vid byte. Och även om användningen av InSb inte nödvändigtvis är billigare, det kan visa sig vara mer kostnadseffektivt på lång sikt på grund av förbättrade bitfelsfrekvenser, som folk skulle vara villiga att betala för.

När det gäller displayapplikationer, denna teknik kan generera ännu tunnare och snabbare skärmar än vad som för närvarande finns på marknaden, utan samma kvalitetskontrollproblem.

Nuvarande LCD- och LED-teknik består av flera olika komponenter förutom själva flytande kristallen. "Och varje stapel har en tjocklek, " säger Mirshafieyan. "Men med InSb-teknik, du kan kombinera allt. Det är i sig ett färgfilter." Som ett resultat, mycket tunnare, snabbare, Högre upplösning är möjlig.

"Om du någonsin har försökt se en hockeymatch på en flytande kristall-TV, du kan inte följa pucken på isen alls, och det beror på att TV:n inte kan köras i tillräckligt höga hastigheter, " säger Dr. Gregory. Detta beror på bildförvrängningarna som skapas av variationen i lagren på många flytande kristallskärmar och den grundläggande reaktionshastigheten.

Dock, dessa kvalitetskontrollproblem skulle kunna elimineras med den teknik som Dr. Gregory och Mirshafieyan föreslår eftersom det skulle möjliggöra minskad pixelstorlek. "Vi kan skapa väldigt små pixlar med den här tekniken eftersom den inte har något nanomönster som begränsar tillverkningsprocessen, ", säger Mirshafieyan. "Vi kan göra ultra-ultrasmå pixlar med distinkta färger och det kommer att förbättra kvaliteten på skärmen långt utöver vad som är tillgängligt nu."