«Производительность SmNiO3 является рекордной с точки зрения величины и диапазона длин волн оптической настройки», — говорит Ю. "Вряд ли найдется какой-либо другой материал, который предлагает такую комбинацию свойств, которая очень желательна для оптоэлектронных устройств. Обратимая настройка между прозрачным и непрозрачным состояниями основана на электронном легировании при комнатной температуре и потенциально очень быстро, что открывает широкий спектр интересных приложений, таких как «умные окна» для динамического и полного контроля солнечного света, переменная тепловая излучательная способность. покрытия для инфракрасной маскировки и радиационного контроля температуры, оптические модуляторы и устройства оптической памяти."
Некоторые из потенциальных новых функций включают использование способности SmNiO3 контролировать тепловое излучение для создания «интеллектуальных» покрытий для инфракрасной маскировки и терморегуляции.
Из-за этих покрытий люди и автомобили, например, могут казаться намного холоднее, чем они есть на самом деле, и поэтому ночью их невозможно будет различить под тепловизионным фотоаппаратом. Покрытие может помочь уменьшить большие градиенты температуры на спутнике, регулируя относительное тепловое излучение с его яркой и темной стороны по отношению к солнцу и тем самым продлевая срок службы спутника.
Поскольку этот материал с фазовым переходом потенциально может переключаться между прозрачным и непрозрачным состояниями с высокой скоростью, его можно использовать в модуляторах для оптической связи в свободном пространстве и оптических радарах, а также в устройствах оптической памяти.
Исследователи давно пытаются создать активные оптические устройства, которые могут динамически управлять светом.
К ним относятся «умные окна» Boeing 787 Dreamliner, которые контролируют (но не полностью) передачу солнечного света, перезаписываемые DVD-диски, на которых мы можем использовать лазерный луч для записи и стирания данных, и высокоскоростное оптоволокно на большие расстояния. системы оптической связи, в которых информация «записывается» в световые лучи с помощью оптических модуляторов. Однако активные оптические устройства не более распространены в повседневной жизни, потому что было так сложно найти современные активно настраиваемые оптические материалы и разработать надлежащую архитектуру устройства, которая усиливает эффекты таких настраиваемых материалов.
Когда Шрирам Раманатан, доцент кафедры материаловедения в Гарварде, обнаружил гигантское регулируемое электрическое сопротивление SmNiO3 при комнатной температуре, Ю обратил на это внимание. Они встретились на конференции IEEE Photonics Conference в 2013 году и решили сотрудничать.
Ю и его ученики, работая с Раманатаном, который является соавтором этой статьи, провели начальные оптические исследования материала с фазовым переходом, интегрировали материал в наноструктурированные дизайнерские оптические интерфейсы — «метаповерхности» — и создали прототип активной оптоэлектронной системы. устройства, в том числе оптические модуляторы, управляющие световым лучом, и покрытия с регулируемой излучательной способностью, контролирующие эффективность теплового излучения.
«SmNiO3 — действительно необычный материал, — говорит Чжаойи Ли, ведущий автор статьи и аспирант Ю, — потому что он становится электрически более изолирующим и оптически более прозрачным, поскольку он легирован большим количеством электронов — это полная противоположность обычным материалам. такие как полупроводники."
Оказывается, легированные электроны «сцепляются» в пары с электронами, изначально находящимися в материале, квантово-механическое явление, называемое «сильная электронная корреляция», и этот эффект делает эти электроны недоступными для проведения электрического тока и поглощения света. Таким образом, после электронного легирования тонкие пленки SmNiO3, которые изначально были непрозрачными, внезапно пропускают более 70 процентов видимого света и инфракрасного излучения.
«Одна из самых больших проблем, — добавляет Чжаойи, — заключалась в том, чтобы интегрировать SmNiO3 в оптические устройства. Чтобы решить эту проблему, мы разработали специальные методы нанопроизводства для создания рисунка метаповерхностных структур на тонких пленках SmNiO3.
Кроме того, мы тщательно выбирали архитектуру устройства и материалы, чтобы гарантировать, что устройства могут выдерживать высокую температуру и давление, которые требуются в процессе производства для активации SmNiO3."
Далее Ю и его сотрудники планируют провести систематическое исследование, чтобы понять основы науки о фазовом переходе SmNiO3 и изучить его технологические приложения. Команда исследует внутреннюю скорость фазового перехода и количество циклов фазового перехода, которое может выдержать материал, прежде чем он сломается.
Они также будут работать над решением технологических проблем, включая синтез ультратонких и гладких пленок материала и разработку методов нанопроизводства для интеграции материала в новые плоские оптические устройства.
«Эта работа является одним из важнейших шагов на пути к реализации главной цели моей исследовательской лаборатории — превратить оптический интерфейс в функциональное оптическое устройство», — отмечает Ю. «Мы предполагаем заменить громоздкие оптические устройства и компоненты« плоской оптикой », используя сильное взаимодействие между светом и двухмерными структурированными материалами для управления светом по желанию.
Открытие этого материала с фазовым переходом и его успешная интеграция в архитектуру плоских устройств — это большой шаг вперед в реализации активных плоских оптических устройств не только с улучшенными характеристиками по сравнению с устройствами, которые мы используем сегодня, но и с совершенно новыми функциями."
В команду Ю входили Раманатан, его аспирант из Гарварда Ю Чжоу и его научный сотрудник по Purdue Чжэнь Чжан, которые синтезировали материал фазового перехода и провели некоторые эксперименты по фазовому переходу (эта работа началась в Гарварде и продолжилась, когда Раманатан переехал в Purdue); Профессор материаловедения Университета Дрекселя Кристофер Ли, аспирант Хао Ци и научный сотрудник Цивэй Пань, которые помогли создать твердотельные устройства, интегрировав SmNiO3 с новыми твердыми полимерными электролитами; и штатные сотрудники Брукхейвенской национальной лаборатории Минг Лу и Аарон Штайн, которые помогли в создании нанофабрикатов.
Юань Ян, доцент кафедры материаловедения и инженерии факультета прикладной физики и прикладной математики Columbia Engineering, консультировался в ходе этого исследования.