Ett nytt material producerat av Juejun Hu och hans team kan sträckas upprepade gånger utan att förlora sina optiska egenskaper. Upphovsman:Massachusetts Institute of Technology
Forskare vid MIT och flera andra institutioner har utvecklat en metod för att tillverka fotoniska enheter – liknande elektroniska enheter men baserade på ljus snarare än elektricitet – som kan böjas och sträckas utan att skadas. Enheterna kan hitta användningsområden i kablar för att ansluta datorenheter, eller i diagnostik- och övervakningssystem som kan fästas på huden eller implanteras i kroppen, böjer sig lätt med den naturliga vävnaden.
Resultaten, som involverar användning av en specialiserad typ av glas som kallas kalkogenid, beskrivs i två artiklar av MIT-docent Juejun Hu och mer än ett dussin andra vid MIT, University of Central Florida, och universitet i Kina och Frankrike. Tidningen är planerad att publiceras inom kort Ljus:Vetenskap och tillämpningar .
Hu, vem är Merton C. Flemings docent i materialvetenskap och teknik, säger att många människor är intresserade av möjligheten till optisk teknik som kan sträcka och böjas, speciellt för applikationer som hudmonterade övervakningsenheter som direkt kan känna av optiska signaler. Sådana enheter kan, till exempel, samtidigt upptäcka hjärtfrekvens, blodets syrenivåer, och även blodtrycket.
Fotonikenheter bearbetar ljusstrålar direkt, använder system av lysdioder, linser, och speglar tillverkade med samma typer av processer som används för att tillverka elektroniska mikrochips. Att använda ljusstrålar snarare än ett flöde av elektroner kan ha fördelar för många tillämpningar; om originaldatan är ljusbaserad, till exempel, optisk bearbetning undviker behovet av en konverteringsprocess.
Men de flesta nuvarande fotonikenheter är tillverkade av styva material på styva substrat, Hu säger, och därmed ha en "inneboende obalans" för applikationer som "ska vara mjuka som mänsklig hud." Men de flesta mjuka material, inklusive de flesta polymerer, har ett lågt brytningsindex, vilket leder till en dålig förmåga att begränsa en ljusstråle.
Istället för att använda så flexibla material, Hu och hans team tog ett nytt tillvägagångssätt:De formade det styva materialet - i det här fallet ett tunt lager av en typ av glas som kallas kalkogenid - till en fjäderliknande spole. Precis som stål kan fås att sträcka sig och böjas när det formas till en fjäder, arkitekturen hos denna glasspole gör att den kan sträckas och böjas fritt samtidigt som den behåller sina önskvärda optiska egenskaper.
En vy av labbinställningen som användes för att testa de nya materialen, demonstrerar att de kunde sträckas och böjas utan att förlora förmågan att begränsa ljusstrålar och utföra fotonisk bearbetning. Upphovsman:Massachusetts Institute of Technology
"Du får något så flexibelt som gummi, som kan böjas och sträckas, och har fortfarande ett högt brytningsindex och är väldigt transparent, " säger Hu. Tester har visat att sådana fjäderliknande konfigurationer, tillverkad direkt på ett polymersubstrat, kan genomgå tusentals sträckcykler utan någon detekterbar försämring av deras optiska prestanda. Teamet producerade en mängd fotoniska komponenter, sammankopplade av det flexibla, fjäderliknande vågledare, allt i en epoxihartsmatris, som gjordes styvare nära de optiska komponenterna och mer flexibel runt vågledarna.
Andra typer av töjbar fotonik har gjorts genom att bädda in nanorods av ett styvare material i en polymerbas, men de kräver extra tillverkningssteg och är inte kompatibla med befintliga fotoniska system, säger Hu.
Så flexibel, töjbara fotoniska kretsar kan också vara användbara för applikationer där enheterna behöver anpassa sig till de ojämna ytorna på något annat material, som i töjningsmätare. Optikteknik är mycket känslig för belastning, enligt Hu, och kunde detektera deformationer på mindre än en hundradels 1 procent.
Denna forskning är fortfarande i ett tidigt skede; Hus team har hittills bara visat enstaka enheter åt gången. "För att det ska vara användbart, vi måste visa alla komponenter integrerade på en enda enhet, " säger han. Arbete pågår för att utveckla tekniken till den punkten så att den kan tillämpas kommersiellt, vilket Hu säger kan ta ytterligare två till tre år.
I en annan tidning som publicerades förra veckan i Nature Photonics , Hu och hans medarbetare har också utvecklat ett nytt sätt att integrera lager av fotonik, gjord av kalkogenidglas och tvådimensionella material som grafen, med konventionella fotoniska halvledarkretsar. Befintliga metoder för att integrera sådana material kräver att de tillverkas på en yta och sedan skalas av och överföras till halvledarskivan, vilket tillför betydande komplexitet till processen. Istället, den nya processen gör att skikten kan tillverkas direkt på halvledarytan, vid rumstemperatur, möjliggör förenklad tillverkning och mer exakt inriktning.
Processen kan också använda kalkogenidmaterialet som ett "passiveringsskikt, "för att skydda 2D-material från nedbrytning orsakad av omgivande fukt, och som ett sätt att kontrollera de optoelektroniska egenskaperna hos 2D-material. Metoden är generisk och skulle kunna utvidgas till andra framväxande 2D-material förutom grafen, att utöka och påskynda deras integration med fotoniska kretsar, säger Hu.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
