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工程师在纳米级上操纵颜色,使其消失

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-13 】 点击次数:
大多数情况下,材料的颜色取决于其化学性质。不同的原子和分子吸收不同波长的光。其余的波长是当它们反射回我们的眼睛时我们能感知到的“固有颜色”。
 
所谓的“ 结构色 ”的工作原理有所不同。这是物理的性质,而不是化学的性质。在某些表面上的微观图案会以不同波长发生碰撞和相互干扰的方式反射光。例如,孔雀的羽毛由透明的蛋白纤维制成,它们本身没有固有的颜色,但是由于其表面具有纳米级结构,因此我们看到其颜色呈虹彩,蓝色,绿色和紫色变化。
 
但是,随着我们越来越擅长以最小的比例来操纵结构,这两种颜色可以以更加令人惊讶的方式组合。宾夕法尼亚大学的工程师现在已经开发出一种纳米级半导体条带系统,该系统使用结构颜色相互作用来完全消除条带的固有颜色。
 
尽管这些条带应吸收橙色光并因此显示出蓝色阴影,但它们似乎根本没有颜色。
 
对这样的系统进行微调会对全息显示器和光学传感器产生影响。它也可以为新型的微激光和检测器铺平道路,这是人们追捧已久的光子计算机的基本要素。
 
这项研究是由电气和系统工程学系助理教授Deep Jariwala以及研究生的学生Huihui Qin和本科生Bhaskar Abhiraman共同领导的。
 
它发表在《自然通讯》上。
 
研究人员的实验系统由排列在金背衬上的二维半导体纳米级条带(二硫化钨)组成。这些条带只有几十个原子厚,以亚光学波长大小隔开,使它们散发出蝴蝶翅膀和孔雀羽毛中所见的结构颜色。
 
Abhiraman说:“我们使用了该系统的尺寸,进行了许多实验测量,并进行了许多模拟。然后我们发现了一些奇怪的东西。” “如果这些条带的尺寸恰到好处,那么对材料固有的橙色光的吸收就会消失!换句话说,由这些条带组成的涂层对入射光不敏感,仅显示出其特性。底层基材。”
 
 
 
“其他纳米光子学研究人员以前已经表明,结构颜色和这些固有吸收可以相互作用;这被称为'强耦合'。但是,以前没有人见过这种消失,特别是在一种原本应该吸收近100%的光的材料中,” Jariwala说。“以鸟的羽毛或蝴蝶的翅膀为例,是生物材料的纳米级结构使它们呈虹彩色,因为这些材料本身并没有太多固有的颜色。但是,如果某种材料确实具有很强的固有颜色,我们将展示出可以做到相反,并通过适当的纳米结构使其消失。在某些方面,它掩盖了材料对光的反应的固有颜色。”
 
研究这种现象包括了解固有颜色如何在亚原子水平上起作用。原子的电子以不同的同心能级排列,具体取决于该元素具有多少个电子。取决于那些布置中的可用空间,电子从特定波长的光吸收能量时可以跳到更高的水平。能够以这种方式激发电子的波长确定了被吸收和被反射的波长,从而确定了材料的固有颜色。
 
诸如Jariwala,Zhang和Abhiraman等纳米光子学研究人员研究了电子与其邻居之间更为复杂的相互作用。当原子以重复的结晶模式排列时,例如在二硫化钨的二维条带中发现的那些,其电子层会重叠成连续的能带。这些带使导电材料能够将电荷从电子传递到电子。像二硫化钨一样,半导体在电子产品中也很普遍,因为电子带之间的相互作用会产生有用的现象,这些现象可以通过外力来操纵。
 
在这种情况下,半导体条中的光和电荷的相互作用产生了空前的“掩盖”效应。
 
贾里瓦拉说:“当电子被橙色波长激发时,它会产生一个空洞,称为空穴,使晶体带有一对紧密结合的相反电荷,称为激子。” “由于光是电磁辐射的一种形式,它的电磁场可以与这种电荷激发相互作用,并且在特殊情况下可以将其抵消,因此观察者将看到金基底的橙色,而不是其顶部的条带的蓝色。 。”
 
Jariwala和他的同事在论文中表明,可以使用与耦合振荡器完全相同的数学模型来模拟结构颜色效果和固有激子吸收相互作用:质量在弹簧上弹跳。
 
张说:“我们应用了这种模型,发现在某些条件下,这种消失效果可以再现。” “很经典的力学技巧可以解释我们的结构与光相互作用的方式。”
 
这种类型的结构颜色,或缺少这种结构颜色,可用于制造被设计为对入射光不敏感的纳米厚度涂层,这意味着该涂层看上去与其下面的材料具有相同的颜色。这些纳米级特征的不同空间排列可能产生相反的效果,从而可以实现出色的全息图和显示效果。传统上,很难操作这些特征,因为所需的材料要厚得多且难以制造。
 
“由于我们观察到的这种结构颜色也对其周围环境非常敏感,”阿比拉曼说,“如果与正确的化学诱饵搭配使用,人们可以想象制造出便宜,灵敏的化学或生物分子比色传感器。”
 
他说:“另一个潜在的应用领域是将光谱仪和光电探测器集成在芯片上。” “即使在这里,传统的半导体材料(如硅)也一直很难使用,因为它们的光学特性不利于强吸收。由于二维材料的量子受限性质,它们非常强烈地吸收或与光相互作用,并且它们的片状结构使其易于放置或沉积或涂覆在任意表面上。”
 
研究人员认为,他们系统的最强大应用可能是在光子计算机中,其中光子取代了电子作为数字信息的媒介,从而极大地提高了速度。
 
贾里瓦拉说:“光和物质的混合化长期以来一直用于光通信交换机中,并且已经被设想为光子计算所必需的超低阈值功率激光器的工作原理。” “但是,要使这样的设备在室温下以可靠且理想的方式工作是很困难的。我们的工作表明了在任意衬底上制造和集成此类激光器的新途径,特别是如果我们能够找到并替换目前的2-具有喜欢发出大量光的半导体的D半导体。”
 

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