ein neues material von juejun hu und seinem team lässt sich immer wieder strecken, ohne seine optischen eigenschaften zu verlieren. Kredit: Massachusetts Institut für Technologie

Forscher bei mit und einige andere Institutionen haben eine Methode entwickelt, um photonische Geräte herzustellen - ähnlich wie elektronische Geräte, die aber auf Licht statt Elektrizität basieren -, die sich ohne Beschädigung biegen und dehnen lassen. Die Geräte könnten in Kabeln Verwendung finden, um Computergeräte zu verbinden, oder in Diagnose- und Überwachungssystemen, die an der Haut befestigt oder in den Körper implantiert werden können und sich leicht mit dem natürlichen Gewebe biegen.

Die Ergebnisse, die die Verwendung einer speziellen Art von Glas namens Chalkogenid beinhalten, werden in zwei Beiträgen von juejun hu und mehr als einem Dutzend anderer mit der University of Central Florida und Universitäten in China und Frankreich beschrieben. Das Papier soll bald im Licht erscheinen: Wissenschaft und Anwendungen.

Hu, wer ist der Merton c. flemings associate professor of material science and engineering, sagt, dass viele Menschen an der Möglichkeit optischer Technologien interessiert sind, die sich dehnen und biegen können, insbesondere für Anwendungen wie Haut-montierte Überwachungsgeräte, die optische Signale direkt wahrnehmen könnten. Solche Geräte könnten beispielsweise gleichzeitig Herzfrequenz, Blutsauerstoffspiegel und sogar Blutdruck erfassen.

Photonik-Vorrichtungen verarbeiten Lichtstrahlen direkt, indem sie Systeme von LEDs, Linsen und Spiegeln verwenden, die mit den gleichen Verfahren hergestellt werden, die zur Herstellung elektronischer Mikrochips verwendet werden. die Verwendung von Lichtstrahlen statt eines Elektronenflusses kann Vorteile für viele Anwendungen haben; Wenn die Originaldaten beispielsweise lichtbasiert sind, vermeidet die optische Verarbeitung die Notwendigkeit eines Umwandlungsprozesses.

aber die meisten aktuellen Photonik-Geräte werden aus starren Materialien auf starren Substraten hergestellt, sagt Hu, und haben somit eine \"inhärente Mismatch\" für Anwendungen, die \"wie menschliche Haut weich sein sollte.\" aber die meisten weichen Materialien, einschließlich der meisten Polymere, haben eine niedrige refraktive Index, der zu einer schlechten Fähigkeit führt, einen Lichtstrahl einzuschließen.

anstatt solche flexiblen materialien zu verwenden, gingen hu und sein team einen neuartigen ansatz ein: sie formten das steife material - in diesem fall eine dünne schicht aus einer glasart namens chalkogenid - zu einer federähnlichen spule. Genau wie Stahl hergestellt werden kann, um sich zu dehnen und zu biegen, wenn er zu einer Feder geformt wird, erlaubt es die Architektur dieser Glasspule, sich frei zu dehnen und zu biegen, während sie ihre wünschenswerten optischen Eigenschaften beibehält.

eine Ansicht des Laboraufbaus, der verwendet wurde, um die neuen Materialien zu testen, um zu demonstrieren, dass sie gedehnt und gebogen werden konnten, ohne die Fähigkeit zu verlieren, Lichtstrahlen einzuschließen und photonische Verarbeitung durchzuführen. Kredit: Massachusetts Institut für Technologie

\"Am Ende erhältst du etwas, das so flexibel ist wie Gummi, das sich biegen und dehnen kann und trotzdem einen hohen Brechungsindex hat und sehr transparent ist\", sagt Hu. Tests haben gezeigt, dass solche federartigen Konfigurationen, die direkt auf einem Polymersubstrat hergestellt werden, tausende Dehnungszyklen durchlaufen können, ohne dass ihre optische Leistung nachweisbar beeinträchtigt wird. Das Team produzierte eine Vielzahl von photonischen Komponenten, die durch die flexiblen, federartigen Wellenleiter miteinander verbunden waren, alles in einer Epoxidharzmatrix, die in der Nähe der optischen Komponenten steifer und um die Wellenleiter flexibler gemacht wurde.

Andere Arten der dehnbaren Photonik wurden durch Einbetten von Nanostäbchen aus einem steiferen Material in eine Polymerbasis hergestellt, aber diese erfordern zusätzliche Herstellungsschritte und sind nicht kompatibel mit existierenden photonischen Systemen, sagt Hu.

Solche flexiblen, dehnbaren photonischen Schaltungen könnten auch für Anwendungen nützlich sein, bei denen sich die Vorrichtungen an die unebenen Oberflächen eines anderen Materials anpassen müssen, beispielsweise in Dehnungsmeßstreifen. Die Optiktechnologie ist laut hu sehr empfindlich auf Dehnung und könnte Verformungen von weniger als einem Hundertstel von 1 Prozent erkennen.

diese Forschung befindet sich noch in einem frühen Stadium; hus Team hat bis jetzt nur einzelne Geräte demonstriert. \"Damit es sinnvoll ist, müssen wir alle Komponenten auf einem Gerät demonstrieren\", sagt er. Es wird derzeit daran gearbeitet, die Technologie bis zu diesem Zeitpunkt zu entwickeln, so dass sie kommerziell genutzt werden kann, was noch zwei bis drei Jahre dauern könnte.

In einer weiteren Arbeit, die letzte Woche in der Naturphotonik veröffentlicht wurde, haben hu und seine Mitarbeiter auch eine neue Art der Integration photonischer Schichten aus Chalkogenidglas und zweidimensionalen Materialien wie Graphen mit konventionellen photonischen Halbleiterschaltungen entwickelt. bestehende Verfahren zum Integrieren solcher Materialien erfordern, dass sie auf einer Oberfläche hergestellt werden und dann abgelöst und auf den Halbleiterwafer übertragen werden, was dem Verfahren eine signifikante Komplexität hinzufügt. stattdessen ermöglicht das neue Verfahren, dass die Schichten direkt bei Raumtemperatur auf der Halbleiteroberfläche hergestellt werden, was eine vereinfachte Herstellung und eine genauere Ausrichtung ermöglicht.

Das Verfahren kann auch das Chalkogenid-Material als \"Passivierungsschicht\" nutzen, um 2D-Materialien vor Degradation durch Umgebungsfeuchtigkeit zu schützen und um die optoelektronischen Eigenschaften von 2-D-Materialien zu kontrollieren. Die Methode ist generisch und könnte auf andere aufkommende 2D-Materialien neben Graphen ausgeweitet werden, um ihre Integration mit photonischen Schaltungen zu erweitern und zu beschleunigen, so Hu.

Quelle: Phys

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