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新型光学材料可提供前所未有的光热控制程度

2016-09-01 11:17
汉水狂客
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  由哥伦比亚大学工程系应用物理学助理教授于南芳带领的研究团队,发现了一种新的相变光学材料,并展示该种新设备能在一个更广泛的波长范围内的动态控制光,使得实现调制幅度大于目前设备已成为可能。

  该研究团队,包括来自普渡大学、哈佛大学、德雷克塞尔大学和布克海文国家实验室的研究人员组成,研究发现镍酸钐(SmNiO3)在空前广泛的频谱中范围从蓝色可见光谱(400nm波长)到中红外热辐射光谱(几十微米)上,能够实现电调谐的透明和不透明之间的连续控制。该研究,这是对SmNiO3光学性质的第一次调查和作为在光子器件方面应用材料的第一个示范,已在线发表在《先进材料》杂志上。

  “SmNiO3性能包括破纪录的振幅和波长的调谐范围,”于说。“几乎没有任何其他的材料,能够提供这样的组合的属性,因此它对于制造光电器件来说是非常理想的。透明和不透明的状态之间的可逆调整是基于室温条件下的电子掺杂,这种潜在的转换非常快,开辟了广泛的很令人兴奋的应用前景,如对于阳光完全和动态控制的‘智能窗口’的调整,可变热发射率涂层的红外伪装和辐射温度控制,光调制器,和光学存储装置。”

  还有包括一些使用SmNiO3材料进行控制热辐射制造“智能”红外伪装和体温调节设备的潜在新功能。这些涂层可以使人和车辆比它们实际上在夜间的热成像摄像机镜头前显得更冷。通过调整其明亮的和黑暗的一面相对于太阳的相对热辐射效果,该涂层可以有助于减少在卫星上的大的温度梯度,从而延长了卫星的寿命。由于该相变材料可以在高速度的透明和不透明的状态之间切换,它可用于自由空间光通信和光雷达的调制器和光存储装置中。

  长期以来,研究人员一直在尝试建立能够动态控制光的有源光学器件。这些包括波音787梦幻客机的“智能窗”的控制(但不完全)太阳光的透射,可重写DVD光盘,我们可以用一束激光写入和擦除光盘数据,和高数据速率、长距离光纤通信系统的信息“写”到光束中的光调制器。有源光学器件在日常生活中是不常见的,因为先进的积极可调谐光学材料一直是如此难以找到,并进行设计适当的设备架构,放大这种可调谐材料的影响。

  当哈佛材料科学副教授Shriram Ramanathan,发现了SmNiO3室温下巨大的可调电阻率,于注意到这一研究。两人相遇在2013 IEEE光子学会议上,决定合作。于和他的学生与Ramanathan共同研究,作为本研究论文的共同作者,对相变材料的初始光学研究,把这种材料集成到纳米结构设计师设计的光学接口“可变表面”并创建有源光电子器件的原型,包括控制一束光的光调制器,和能够控制热辐射效率的可变发射率涂料。

  “SmNiO3真是一个不寻常的材料,”李兆一说,他论文的主要作者,Yu博士研究生,“因为它使得材料变得更加电绝缘,且在材料中掺杂更多电子时变得更透明,这恰恰和普通的材料如半导体材料的特性相反。”

  事实证明,掺杂的电子与材料中最初的电子“锁定”成对,一个被称为“强电子关联”的量子力学现象,这种效果使得这些电子不可用于在电流中和吸收光。因此,电子掺杂后,SmNiO3薄膜原本不透明的突然允许超过百分之七十的可见光和红外辐射进行传输通过。

  “我们面临的最大挑战之一,”李说,“是继承SmNiO3材料到光学器件中。为了应对这一挑战,我们利用特殊的纳米加工技术开发了SmNiO3薄膜材料图案,制作可变表面材料结构。此外,我们精心选择了器件结构和材料,确保设备能承受较高的温度和压力,为在制作过程中激活SmNiO3。”

  于和他的合作者计划下一步将进行系统的研究,来了解对SmNiO3相变的基础科学和技术应用的探讨。该团队将研究在材料破坏之前其可以承受内在相变速度和相变循环周期。他们还将努力解决技术问题,包括超薄的合成和材料的光滑薄膜制作以及利用纳米加工技术将这种材料集成到新型平面光学器件中。

  “这项工作是实现研究实验室主要目标,把材料集成到光学接口功能器件上的一个关键的一步,”于提到。“我们设想取代“平面光学”的笨重的光学器件和组件,利用光和二维结构化材料之间的强相互作用,以按照意愿控制光。这一相变材料的发现和它的成功整合到一个平坦的设备架构将是一个重大的飞跃,实现主动平面的光学器件不仅使我们正在使用的设备具有增强的性能,而且将具备全新的功能。”

  于的团队包括Ramanathan和于的博士生周由和他的普度大学博士后张真,他们对合成的相变材料做了一些相变实验(这项工作开始在哈佛大学进行研究,在Ramanathan搬到普渡大学后继续进行);德雷赛尔大学材料科学教授Christopher Li,博士生齐浩,和研究科学家潘奇伟,他们通过集成SmNiO3到一种新型聚合物固体电解质中制作出固态器件;布鲁克海文国家实验室的工作人员的科学家Ming Lu和Aaron Stein,它们帮助了该设备的加工。在这项研究的进展期间,哥伦比亚应用物理和应用数学系的材料科学与工程系的助理教授杨园,进行了部分咨询工作。

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