Metalenses, nano-artificiella strukturer som kan manipulera ljus, erbjuder en teknik som avsevärt kan minska storleken och tjockleken på traditionella optiska komponenter. Denna teknik är särskilt effektiv i det nära-infraröda området och lovar mycket för olika applikationer som LiDAR som kallas "ögonen på den självkörande bilen", miniatyrdrönare och blodkärlsdetektorer.

Trots sin potential kräver den nuvarande tekniken tiotals miljoner koreanska won för att tillverka en metalens storleken på en fingernagel, vilket utgör en utmaning för kommersialisering. Lyckligtvis visar ett nyligen genomfört genombrott lovande att sänka produktionskostnaden med en tusendel av priset.

Ett samarbetande forskarlag (POSCO-POSTECH-RIST Convergence Research Team), bestående av professor Junsuk Rho från institutionen för maskinteknik och institutionen för kemiteknik och andra vid Pohang University of Science and Technology (POSTECH), har föreslagit två innovativa metoder för masstillverkar metalenses och tillverkar dem på stora ytor. Deras forskning presenterades i Laser &Photonics Reviews .

Fotolitografi, en process som används för att tillverka metalenses genom att prägla mönster på kiselwafers med hjälp av ljus, står som ett steg i deras tillverkning. Vanligtvis är ljusets upplösning omvänt proportionell mot dess våglängd, vilket innebär att kortare våglängder resulterar i högre upplösning, vilket möjliggör skapandet av finare och mer detaljerade strukturer. I denna forskning valde teamet djup-UV-fotolitografi, en process som använder kortare våglängder av ultraviolett ljus.

Forskargruppen uppnådde nyligen massproduktion av metalenses för området med synligt ljus med hjälp av djup ultraviolett fotolitografi, som publicerats i Nature Materials . Men utmaningar uppstod då den befintliga metoden visade låg effektivitet i det infraröda området.

För att komma till rätta med denna begränsning utvecklade teamet ett material med ett högt brytningsindex och låg förlust för det infraröda området. Detta material integrerades i den etablerade massproduktionsprocessen, vilket resulterade i det framgångsrika skapandet av en ansenlig infraröd metalens med en diameter på 1 cm på en 8-tums wafer.

Noterbart är att objektivet har en anmärkningsvärd numerisk bländare (NA) på 0,53, vilket framhäver dess exceptionella ljusinsamlingsförmåga tillsammans med hög upplösning som närmar sig diffraktionsgränsen. Den cylindriska strukturen gör den polarisationsoberoende, vilket säkerställer utmärkt prestanda oavsett ljusets vibrationsriktning.

I det andra tillvägagångssättet använde teamet nanoimprinting, en process som möjliggör utskrift av nanostrukturer med hjälp av en form. Denna process utnyttjade nanoimprint-teknikens kunnande, ackumulerat genom forskningssamarbete med RIST.

Denna strävan visade sig vara framgångsrik eftersom teamet lyckades massproducera en metalens med en diameter på 5 millimeter, bestående av cirka hundra miljoner rektangulära nanostrukturer på en 4-tums wafer. Noterbart uppvisade denna metalens imponerande prestanda, med en bländare på 0,53. Dess rektangulära struktur visade polarisationsberoende egenskaper och reagerade effektivt på ljusets vibrationsriktning.

Med utgångspunkt från denna prestation integrerade teamet ett högupplöst bildsystem för att observera verkliga prover som lökepidermis, vilket validerade möjligheten att kommersialisera metallener.

Denna forskning har betydelse eftersom den övervinner begränsningarna i den traditionella en-och-en-metallens produktionsprocessen. Det underlättar inte bara skapandet av optiska enheter med både polarisationsberoende och -oberoende egenskaper som är skräddarsydda för specifika applikationer utan minskar också produktionskostnaden för metallen med upp till 1 000 gånger.

Professor Junsuk Rho sa:"Vi har uppnått den exakta och snabba produktionen av högpresterande metalenses i wafer-skala och når centimeterdimensioner. Vårt mål är att denna forskning ska påskynda industrialiseringen av metalenses, främja utvecklingen av effektiva optiska enheter och optisk teknik."

Mer information: Seong‐Won Moon et al, Wafer‐Scale Manufacturing of Near‐Infrared Metalenses, Laser &Photonics Recensioner (2024). DOI:10.1002/lpor.202300929

Journalinformation: Naturmaterial

Tillhandahålls av Pohang University of Science and Technology