Ученые ДВФУ напечатали лазером супертонкие оптические элементы

Ученые разработали технологию лазерной печати кремниевых наночастиц – строительных блоков для миниатюрных фотонных переключателей, сверхтонких компьютерных чипов, микробиологических сенсоров и таких «метаповерхностей», как маскирующие покрытия. Преимущество технологического процесса в скорости и низкой стоимости изготовления, возможности покрывать частицами большие площади и уже сейчас масштабировать его на реальные практические задачи. Статью об этом исследователи Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) и Института автоматизации процессов управления (ИАПУ ДВО РАН) опубликовали в Optics Letters.

С помощью напечатанных лазером кремниевых «нано-блоков» можно управлять основными характеристиками падающих на них электромагнитных волн оптического диапазона – амплитудой, спектром, диаграммой направленности и т.д. Благодаря этому можно получить картинку, добившись фокусировки оптического излучения или замаскировать поверхность, полностью подавив распространение оптического излучения в требуемом направлении.

Из массивов кремниевых наночастиц, напечатанных лазером на подложке, формируются так называемые «метаповерхности», области применения которых весьма обширны. Они включают в себя новые вычислительные технологии (чипы фотонных компьютеров), сенсоры, многочисленные устройства на основе оптических элементов, например, VR-очки. Последние могут стать намного тоньше, легче и дешевле в производстве благодаря сверхтонкой оптике, реализованной на основе «метаповерхности» всего лишь из одного упорядоченного слоя кремниевых наночастиц.

«Применив лазерную печать, можно получать элементы плоской оптики толщиной всего в одну частицу. Например, микролинзы или дифракционные решетки, которые используют для поляризационных линз солнцезащитных очков, оценки качества воздуха или изучения звезд, когда на основании анализа излучаемого спектра можно понять их химический состав», — говорит первый автор работы Сергей Сюбаев аспирант ДВФУ и младший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН.

Благодаря разработанной технологии кремниевыми полусферами быстро и дешево удается покрыть большие площади подложки. Кроме того, в каждой точке поверхности можно контролировать размер и свойства наночастиц двумя способами: активно, с помощью диаметра лазерного пучка, и пассивно, с помощью толщины изначальной кремниевой пленки. Подобный контроль значительно затруднён при альтернативных коммерческих технологиях изготовления частиц и нужен, чтобы эффективнее управлять электромагнитными волнами.

«Кремний — дешевый материал, который обладает оптимальным соотношением показателя преломления и оптических потерь, а также химической устойчивостью к условиям окружающей среды. Это идеальный кандидат для устройств нанофотоники, работающих с видимой области спектра, в том числе для оптических элементов носимых гаджетов и VR-устройств», — рассказал Александр Кучмижак, руководитель исследования, старший научный сотрудник Тихоокеанского квантового центра ДВФУ, старший научный сотрудник ИАПУ ДВО РАН.

Ученый отметил, что поиск экономически эффективных и гибких технологий получения наноструктур из кремния — это общемировой научный тренд, за которым стоят новые перспективы развития нанофотоники. Лазерная печать кремниевых метаповерхностей — она из таких технологий.

Разработка материалов с новыми свойствами для разных областей применения — одно из приоритетных направлений Стратегии научно-технологического развития РФ и основных исследовательских направлений в ДВФУ, которое университет реализует в сотрудничестве с Российской академией наук.

Недавно ученые ДВФУ и ДВО РАН разработали
материал для опреснения воды: наночастицы диоксида титана, декорированные золотом, поглощают около 96 % излучения солнечного спектра и переводят его в тепло. Материал может ускорить испарение воды в промышленных опреснителях до 2,5 раз.