Инженеры из Университета Райса (частного исследовательского центра в Хьюстоне, штат Техас) разработали формулу для выявления материалов-диэлектриков с наиболее оптимальными свойствами поглощения/преломления света, что способно улучшить экраны для виртуальной реальности, 3D-дисплеев и оптических технологии в целом. Об этом сообщает портал Eurekalert. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Гурурадж Найк и Хлоя Дойрон, научные сотрудники Инженерного колледжа Университета Райса, нашли способ рассчитать в наномасштабе потенциальные свойства так называемых «супермоссовых» полупроводников – материалов, способных иметь наилучшие характеристики согласно «правилу Мосса», которое описывает оптимальный компромисс между оптическим поглощением материала и тем, как он преломляет свет.
В рамках своего исследования инженеры Университета Райса и их соавтор Джейкоб Хургин, профессор электротехники и вычислительной техники в Университете Джона Хопкинса в Балтиморе, пришли к выводу, что железный пирит особенно хорошо работает в качестве нанофотонного материала и может привести к созданию лучших и более тонких дисплеев для носимых электронных устройств.
Более важно то, что они разработали метод поиска новых материалов, которые превышают прежние параметры «правила Мосса» и обладают лучшими свойствами в обработке света для дисплеев и сенсорных приложений.
«В оптике мы все еще ограничены очень небольшим количеством доступных материалов. Но есть много их альтернатив, которые просто неизвестны – и лишь потому, что мы не придумали, как их отыскать, причем применительно к любым промышленным потребностям», – отметил Найк.
Из «правила Мосса» следует, что выбор материала с максимально возможным показателем преломления на заданной длине волны обычно гарантирует успех. Это стало аксиомой для всех оптических устройств в наномасштабе.
«Допустим, я хочу спроектировать светодиод или волновод, работающий на заданной длине волны, скажем, 1,5 микрометра. Для этой длины волны мне нужен из возможных волноводов тот, который имеет наименьшие потери, чтобы лучше всего удерживать свет. Кремний имеет показатель преломления около 3,4 и в настоящее время является «золотым стандартом», но мы поставили себе задачу выяснить, есть ли возможность достичь индекса 5 или даже 10», – пояснил Найк.
Именно для поиска альтернативных оптических материалов исследователи разработали свою формулу, позволяющую выявить «супермоссовые» диэлектрики. Их эксперименты с железным пиритом состоялись после того, как они применили свою теорию к базе данных из 1056 соединений, выполнив поиск веществ с самыми высокими показателями преломления в трех диапазонах ширины пограничной зоны, определяемой «правилом Мосса».
Всего, с учетом пирита, были идентифицированы как «супермоссовые» кандидаты три соединения, но низкая стоимость пирита и его давнее применение в различных фотоэлектрических и каталитических процессах сделали этот материал лучшим выбором для экспериментов.
По итогам исследования железный пирит рассмотрен для использования в солнечных батареях. «В этом контексте они продемонстрировали оптические свойства в видимом диапазоне длин волн, где действительно обнаружились потери. Но это стало подсказкой для нас, потому что, когда материал несет потери в видимых частотах, он, скорее всего, будет иметь очень высокий показатель преломления в ближнем инфракрасном диапазоне», – отметил Найк.
Поэтому лаборатория изготовила пленки железного пирита оптического качества. Испытания материала показали показатель преломления 4,37 с шириной пограничной зоны 1,03 электрон-вольта, что примерно на 40% превышает характеристики, предсказанные «правилом Мосса».
Найк оценивает это как успех, но считает: их формула расчетов почти наверняка откроет путь к созданию материалов с еще более лучшими оптическими характеристиками.