Forskare från North Carolina State University har utvecklat en dielektrisk film som har optiska och elektriska egenskaper som liknar luft, men är tillräckligt stark för att integreras i elektroniska och fotoniska enheter - vilket gör dem både effektivare och mer mekaniskt stabila.

Det handlar om något som kallas brytningsindex, som mäter hur mycket ljus som böjs när det rör sig genom ett ämne. Luft, till exempel, har ett brytningsindex på 1, medan vatten har ett brytningsindex på 1,33 - vilket är anledningen till att ett sugrör verkar böjas när man lägger det i ett glas vatten.

Fotoniska enheter kräver en hög kontrast mellan dess komponentmaterial, med vissa komponenter som har ett högt brytningsindex och andra har ett lågt. Ju högre kontrast mellan dessa material, ju effektivare den fotoniska enheten är – och desto bättre presterar den. Luft har det lägsta brytningsindexet, men den är inte mekaniskt stabil. Och det lägsta brytningsindex som finns i fast material, naturligt förekommande material är 1,39.

Men nu har forskare utvecklat en film gjord av aluminiumoxid som har ett brytningsindex så lågt som 1,025 men som är mekaniskt styv.

"Genom att manipulera strukturen av aluminiumoxiden, som är dielektrisk, vi har förbättrat både dess optiska och mekaniska egenskaper, " säger Chih-Hao Chang, motsvarande författare till en artikel om arbetet och en biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid NC State. Dielektrikum är isolatormaterial som används i ett enormt utbud av konsumentprodukter. Till exempel, varje handhållen enhet har hundratals kondensatorer, som är dielektriska komponenter som kan lagra och hantera elektrisk laddning.

"Nyckeln till filmens prestanda är det högordnade avståndet mellan porerna, vilket ger den en mer mekaniskt robust struktur utan att försämra brytningsindex, säger Xu Zhang, huvudförfattare till uppsatsen och en Ph.D. student vid NC State.

Forskarna gör filmen genom att först använda en nanolitografi utvecklad i Changs labb för att skapa högordnade porer i ett polymersubstrat. Den porösa polymeren fungerar sedan som en mall, som forskarna belägger med ett tunt lager av aluminiumoxid med hjälp av atomlagerdeposition. Polymeren bränns sedan av, lämnar efter sig en tredimensionell aluminiumoxidbeläggning.

"Vi kan kontrollera tjockleken på aluminiumoxiden, skapa en beläggning mellan två nanometer och 20 nanometer tjock, " säger Zhang. "Att använda zinkoxid i samma process, vi kan skapa en tjockare beläggning. Och tjockleken på beläggningen styr och tillåter oss att designa filmens brytningsindex." Oavsett hur tjock beläggningen är, själva filmen är ungefär en mikrometer tjock.

"Stegen i processen är potentiellt skalbara, och är kompatibla med befintliga chiptillverkningsprocesser, " säger Chang. "Våra nästa steg inkluderar att integrera dessa material i funktionella optiska och elektroniska enheter."