En svepelektronmikroskopbild av en metayta av järnkis skapad vid Rice University för att testa dess förmåga att överskrida Moss-regeln, som beskriver en avvägning mellan ett materials optiska absorption och hur det bryter ljus. Forskningen visar potential att förbättra skärmar för virtuell verklighet och 3D-skärmar tillsammans med optisk teknik i allmänhet. Kredit:The Naik Lab
Om du ska bryta en regel med stil, se till att alla ser det. Det är målet för ingenjörer vid Rice University som hoppas kunna förbättra skärmar för virtuell verklighet, 3D-skärmar och optisk teknik i allmänhet.
Gururaj Naik, docent i el- och datorteknik vid Rices George R. Brown School of Engineering, och alumnen Chloe Doiron från Applied Physics Graduate Program hittade ett sätt att manipulera ljus i nanoskala som bryter mot Moss-regeln, som beskriver en avvägning. mellan ett materials optiska absorption och hur det bryter ljus.
Tydligen är det mer som en riktlinje än en faktisk regel, eftersom det finns ett antal "supermossiska" halvledare. Fool's gold, aka järnkis, är ett av dem.
För deras studier i Advanced Optical Materials , Naik, Doiron och medförfattaren Jacob Khurgin, professor i elektro- och datorteknik vid Johns Hopkins University, tycker att järnkis fungerar särskilt bra som ett nanofotoniskt material och kan leda till bättre och tunnare skärmar för bärbara enheter.
Viktigare är att de har etablerat en metod för att hitta material som överträffar Moss-regeln och erbjuder användbara ljushanteringsegenskaper för skärmar och avkänningsapplikationer.
"Inom optik är vi fortfarande begränsade till ett fåtal material," sa Naik. "Vårt periodiska system är väldigt litet. Men det finns så många material som helt enkelt är okända, bara för att vi inte har utvecklat någon insikt om hur man hittar dem."
"Det är vad vi ville visa:Det finns fysik som kan tillämpas här för att kortlista materialen, och sedan hjälpa oss att leta efter de som kan få oss till vad de industriella behoven än är", sa han.
"Låt oss säga att jag vill designa en lysdiod eller en vågledare som fungerar vid en given våglängd, säg 1,5 mikrometer," sa Naik. "För den här våglängden vill jag ha den minsta möjliga vågledaren, som har den minsta förlusten, vilket innebär att den kan begränsa ljuset bäst."
Att välja ett material med högsta möjliga brytningsindex vid den våglängden skulle normalt garantera framgång, enligt Moss. "Det är i allmänhet kravet för alla optiska enheter på nanoskala," sa han. "Materialen måste ha ett bandgap något över våglängden av intresse, eftersom det är där vi börjar se mindre ljus komma igenom."
"Kisel har ett brytningsindex på cirka 3,4 och är guldstandarden," sa Naik. "Men vi började fråga om vi kunde gå längre än kisel till ett index på 5 eller 10."
Det fick dem att leta efter andra optiska alternativ. För det utvecklade de sin formel för att identifiera supermossiska dielektrika.
"I det här arbetet ger vi människor ett recept som kan appliceras på den allmänt tillgängliga databasen med material för att identifiera dem," sa Naik.
Forskarna bestämde sig för experiment med järnkis efter att ha tillämpat sin teori på en databas med 1 056 föreningar, och sökte i tre bandgap-intervall efter de med de högsta brytningsindexen. Tre föreningar tillsammans med pyrit identifierades som supermossiska kandidater, men pyritens låga kostnad och långa användning i solcells- och katalytiska applikationer gjorde det till det bästa valet för experiment.
"Fool's gold har traditionellt studerats inom astrofysik eftersom det ofta finns i interstellärt skräp," sa Naik. "Men i optiksammanhang är det föga känt."
Han noterade att järnkis har studerats för användning i solceller. "I det sammanhanget visade de optiska egenskaper i de synliga våglängderna, där det verkligen är förlustgivande," sa han. "Men det var en ledtråd för oss, för när något är extremt förlorat i de synliga frekvenserna, kommer det sannolikt att ha ett mycket högt brytningsindex i det nära-infraröda."
Så labbet gjorde filmer av järnkis av optisk kvalitet. Tester av materialet visade ett brytningsindex på 4,37 med ett bandgap på 1,03 elektronvolt, vilket överträffade prestandan som förutspås av Moss-regeln med cirka 40 %.
Det är bra, sa Naik, men sökprotokollet kan – och kommer sannolikt – hitta material som är ännu bättre.
"Det finns många kandidater, av vilka några inte ens har gjorts," sa han. + Utforska vidare
