Si vous allez enfreindre une règle avec style, assurez-vous que tout le monde le voit. C’est l’objectif des ingénieurs de l’Université Rice qui espèrent améliorer les écrans pour la réalité virtuelle, les écrans 3D et les technologies optiques en général.
Une image au microscope électronique à balayage d’une métasurface de pyrite de fer créée à l’Université Rice pour tester sa capacité à transcender la règle de Moss, qui décrit un compromis entre l’absorption optique d’un matériau et la façon dont il réfracte la lumière. La recherche montre le potentiel d’amélioration des écrans pour la réalité virtuelle et les affichages 3D et les technologies optiques en général. Crédit image : The Naik Lab
Gururaj Naikprofesseur agrégé de génie électrique et informatique à la Rice’s École d’ingénierie George R. Brownet Chloe Doiron, diplômée du programme d’études supérieures en physique appliquée, a trouvé un moyen de manipuler la lumière à l’échelle nanométrique qui brise le Règle de moussequi décrit un compromis entre l’absorption optique d’un matériau et la façon dont il réfracte la lumière.
Apparemment, c’est plus comme une ligne directrice qu’une règle réellecar de nombreux semi-conducteurs « super-mossiens » existent. L’or des fousalias pyrite de fer, en fait partie.
Pour leur étude en Matériaux optiques avancésNaik, Doiron et co-auteur Jacob Khurginprofesseur de génie électrique et informatique à l’Université Johns Hopkins, a découvert que la pyrite de fer fonctionne particulièrement bien comme matériau nanophotonique et pourrait conduire à des écrans meilleurs et plus fins pour les appareils portables.
Plus important encore, ils ont établi une méthode pour trouver des matériaux qui dépassent la règle de Moss et offrent des propriétés de traitement de la lumière utiles pour les écrans et les applications de détection.
« En optique, nous sommes encore limités à très peu de matériaux », a déclaré Naik. « Notre tableau périodique est vraiment petit. Mais il y a tellement de matériaux qui sont tout simplement inconnus, simplement parce que nous n’avons pas développé d’idée sur la façon de les trouver.
« C’est ce que nous voulions montrer : il y a de la physique qui peut être appliquée ici pour présélectionner les matériaux, puis nous aider à rechercher ceux qui peuvent nous permettre de répondre à tous les besoins industriels », a-t-il déclaré.
« Disons que je veux concevoir une LED ou un guide d’ondes fonctionnant à une longueur d’onde donnée, disons 1,5 micromètre », a déclaré Naik. « Pour cette longueur d’onde, je veux le plus petit guide d’ondes possible, qui a la plus petite perte, ce qui signifie qu’il peut confiner au mieux la lumière. »
Le choix d’un matériau avec l’indice de réfraction le plus élevé possible à cette longueur d’onde garantirait normalement le succès, selon Moss. « C’est généralement l’exigence pour tous les dispositifs optiques à l’échelle nanométrique », a-t-il déclaré. « Les matériaux doivent avoir une bande interdite légèrement au-dessus de la longueur d’onde d’intérêt, car c’est là que nous commençons à voir moins de lumière passer.
« Le silicium a un indice de réfraction d’environ 3,4 et est l’étalon-or », a déclaré Naik. « Mais nous avons commencé à nous demander si nous pouvions aller au-delà du silicium à un indice de 5 ou 10. »
Cela a incité leur recherche d’autres options optiques. Pour cela, ils ont développé leur formule pour identifier les diélectriques super-mossiens.
« Dans ce travail, nous donnons aux gens une recette qui peut être appliquée à la base de données des matériaux accessible au public pour les identifier », a déclaré Naik.
Les chercheurs ont opté pour des expériences avec de la pyrite de fer après avoir appliqué leur théorie à une base de données de 1 056 composés, recherchant dans trois plages de bande interdite ceux ayant les indices de réfraction les plus élevés. Trois composés ainsi que la pyrite ont été identifiés comme candidats super-mossiens, mais le faible coût et la longue utilisation de la pyrite dans les applications photovoltaïques et catalytiques en ont fait le meilleur choix pour les expériences.
« L’or des fous a traditionnellement été étudié en astrophysique car on le trouve couramment dans les débris interstellaires », a déclaré Naik. « Mais dans le contexte de l’optique, c’est peu connu. »
Il a noté que la pyrite de fer a été étudiée pour une utilisation dans les cellules solaires. « Dans ce contexte, ils ont montré des propriétés optiques dans les longueurs d’onde visibles, où il y a vraiment des pertes », a-t-il déclaré. « Mais c’était un indice pour nous, car quand quelque chose est extrêmement perdant dans les fréquences visibles, il aura probablement un indice de réfraction très élevé dans le proche infrarouge. »
Le laboratoire a donc fabriqué des films de pyrite de fer de qualité optique. Les tests du matériau ont révélé un indice de réfraction de 4,37 avec une bande interdite de 1,03 électron-volt, dépassant les performances prédites par la règle de Moss d’environ 40 %.
C’est formidable, a déclaré Naik, mais le protocole de recherche pourrait – et le fera probablement – trouver des matériaux encore meilleurs.
« Il y a beaucoup de candidats, dont certains n’ont même pas été sélectionnés », a-t-il déclaré.
La source: Université du riz
