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工程师在纳米尺度上操纵颜色,让它拿公职向情妇表忠消失

纳米技术 2022-05-14 23:58:10

宾夕法尼亚大学 研究人员用纳米尺度的二维半导体带,二硫化钨,排列在金背衬上进行实验

学分:宾夕法尼亚大学 大多数时候,一种材料的颜色源于它的化学性质

不同的原子和分子吸收不同波长的光;剩下的波长是“固有的颜色”,当它们被反射回我们的眼睛时,我们会感觉到这些颜色

所谓“结构色”,作用不同;这是物理性质,不是化学性质

一些表面上的微观图案反射光的方式使得不同的波长相互碰撞和干涉

例如,孔雀的羽毛是由透明的蛋白质纤维制成的,它们本身没有固有的颜色,但是我们可以看到偏移的彩虹色的蓝色、绿色和紫色,因为它们的表面有纳米级的结构

然而,随着我们越来越擅长在最小尺度上操纵结构,这两种颜色可以以更令人惊讶的方式结合在一起

佩恩工程师现已开发出一种纳米级半导体条带系统,该系统利用结构颜色相互作用来完全消除条带的固有颜色

尽管这些条带应该吸收橙色光,从而呈现出蓝色的阴影,但是它们看起来根本没有颜色

微调这样的系统对全息显示器和光学传感器有影响

它还可以为新型的微激光器和探测器铺平道路,这些都是长期以来备受追捧的光子计算机的基本要素

这项研究是由电气与系统工程系的助理教授Deep Jariwala领导的,还有实验室成员张(研究生)和巴斯卡尔阿比拉曼(本科生)

它发表在《自然通讯》上

研究人员的实验系统由纳米尺度的二维半导体条组成,二硫化钨,排列在金背衬上

这些只有几十个原子厚的条带,以亚光学波长的尺寸间隔开来,使它们能够发出蝴蝶翅膀和孔雀羽毛上的结构颜色

“我们研究了这个系统的尺寸,进行了大量实验测量,并进行了大量模拟

然后我们注意到一些奇怪的事情,”阿比拉曼说

“如果这些条带的尺寸正好合适,那么橙色光的吸收就消失了,而橙色光应该是材料固有的。换句话说,由这些条纹组成的涂层对入射光不敏感,并且仅显示出底层基材的性质

" “其他纳米光子学研究人员之前已经表明,结构颜色和这些内在吸收可以相互作用;这被称为“强耦合”

然而,以前没有人见过这种消失,尤其是在一种本应吸收近100%光的材料中,”贾瑞瓦拉说

“在鸟类羽毛或蝴蝶翅膀的例子中,是生物材料的纳米级结构赋予它们彩虹色,因为这些材料本身没有太多固有的颜色

但是,如果一种材料确实有很强的内在色彩,我们可以证明,通过适当的纳米结构,人们可以反其道而行之,让它消失

在某些方面,它通过对光的反应来掩盖材料的固有颜色

" 对这一现象的研究包括理解内在颜色在亚原子水平上是如何工作的

一个原子的电子排列在不同的同心层,这取决于该元素有多少电子

根据这些排列中的可用空间,当电子吸收特定波长的光的能量时,它可以跳到更高的水平

能够以这种方式激发电子的波长决定了哪些被吸收,哪些被反射,从而决定了材料的固有颜色

纳米光子学的研究人员,如Jariwala,张和Abhiraman,研究了电子与其邻居之间更复杂的相互作用

当原子以重复的晶体模式排列时,例如在二维二硫化钨条带中发现的那些,它们的电子层重叠成连续的带

这些能带允许导电材料将电荷从一个电子传递到另一个电子

半导体,如二硫化钨,在电子学中无处不在,因为它们的电子带之间的相互作用产生了可用外力操纵的有用现象

在这种情况下,半导体条内的光和电荷的相互作用产生了前所未有的“隐形”效应

“当电子被橙色波长激发时,它会产生一个被称为空穴的空位,给晶体留下一对紧密结合的相反电荷,称为激子,”贾瑞瓦拉说

“因为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,并在特殊情况下抵消它,这样观察者就可以看到金基底的橙色,而不是它上面的蓝色条纹

" 在他们的论文中,Jariwala和他的同事展示了结构颜色效应和内在激子吸收相互作用可以用精确的sa me数学建模为耦合振子:弹簧上反弹的质量

“我们应用了这个模型,发现在某些条件下,这种消失效应可以重现,”张说

“经典力学中的一个技巧可以解释我们的结构与光相互作用的方式,这很好

" 这种结构颜色,或者没有这种颜色,可以用来制造纳米厚度的涂层,这种涂层对入射光不敏感,这意味着涂层看起来和它下面的材料颜色一样

这些纳米尺度特征的不同空间排列可能产生相反的效果,允许明亮的全息图和显示

传统上,操作这样的特征是困难的,因为所需的材料更厚且更难制造

“由于我们观察到的这种结构颜色对其周围环境也非常敏感,”阿比拉曼说,“如果与合适的化学诱饵配对,人们可以想象制造出廉价而灵敏的化学或生物分子比色传感器。”

" “另一个潜在的应用领域是集成在芯片上的光谱仪和光电探测器,”他说

“即使在这里,像硅这样的传统半导体材料也很难使用,因为它们的光学特性不利于强吸收

由于二维材料的量子限制性质,它们非常强烈地吸收光或与光相互作用,并且它们的片状结构使得在任意表面上放置、沉积或涂覆它们变得容易

" 研究人员认为,他们的系统最强大的应用可能是在光子计算机中,光子取代电子作为数字信息的媒介,大大提高了它们的速度

“光和物质的混合长期以来被用于光通信开关,并被设想为光子计算所需的超低阈值功率激光器的工作原理,”贾瑞瓦拉说

“然而,很难让这种装置在室温下以可靠和理想的方式工作

我们的工作展示了一条在任意衬底上制造和集成这种激光器的新途径,特别是如果我们能够找到并替换目前的二维半导体,用那些喜欢发射大量光的半导体

"

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