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一種新的納米級 3D 結構來控制光,中國建材網,cnprofit.com
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一種新的納米級 3D 結構來控制光
2022年02月21日    閱讀量:25508    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

超材料由小的重復結構組成,旨在與光波或聲波產生所需的相互作用,可以改進用于電信、成像等領域的光學設備。但賓夕法尼亞州立大學電氣工程助理研究教授 Lei Kang 表示,這些設備的功能可能會受到相應設計空間的限制。


康和來自賓夕法尼亞州立大學和桑迪亞國家實驗室的跨學科合作者利用設計空間的三個維度來創建和測試具有強大光學特性的超材料中國建材網cnprofit.com。他們的研究結果在線發表在Advanced Functional Materials 上。


“有效探索 3D 超材料組件或單元的設計空間并不容易,”Kang 說?!暗覀冊趯嶒炇抑虚_發了各種復雜的優化技術,我們與桑迪亞國家實驗室的合作允許在納米尺度上制造非常復雜的 3D 結構。這種先進能力的獨特組合為探索 3D 晶胞提供了一個很好的策略這可以導致復雜的超材料功能?!?/p>


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其中一項功能是實現光的不對稱傳輸,其中光波表現出不同的功率水平,具體取決于它們穿過材料的行進方向。Kang表示,由于設計挑戰,對于具有在特定方向上振蕩的電場(稱為線性偏振)的光,實現這種現象通常需要龐大的組件。他說,允許線偏振光不對稱傳輸的納米級設備可以顯著提高光學設備的效率,推進通信技術應用等。


為了確定理想的晶胞設計,該團隊開發了一種基于遺傳算法的計算優化器,該算法通過模仿自然選擇來識別新的配置,并使用自行設計的和商業軟件來瞄準設定參數內的穩健性能。


然而,將這種方法應用于 3D 空間時,在設計優化器時會遇到獨特的障礙和好處。在額外維度生成設計,同時為開發功能材料提供額外的自由度,需要更高的計算量。賓夕法尼亞州立大學的研究人員還必須考慮制造限制:更簡單的設計更容易制造,但功能可能存在缺陷,而性能理想的復雜設計可能不切實際或不可能在納米尺度上構建。


在為應對這些挑戰而設計的建議中,優化器模擬了立方體形晶胞壁內側的許多連接金顆粒排列,針對那些最能支持在寬頻率范圍內實現線性偏振光的穩健非對稱傳輸的排列。


桑迪亞國家實驗室的研究人員制造了優化設計,在氮化硅基底上構建了許多具有立方體形空腔的納米級單元電池。然后在每個晶胞的兩個內壁上印上金色圖案。


然后,桑迪亞團隊通過用線偏振光照射樣品材料來對其進行測試。他們發現該設計的性能與其計算優化和模擬的對應物一樣好,導致光在很寬的頻率范圍內的不對稱傳輸。


根據電氣工程助理研究教授 Sawyer Campbell 的說法,這種行為使該設計有望用于光隔離器。


“作為光學設備中的組件,光隔離器僅在一個方向上控制和傳輸光,就像電路中的二極管一樣,”坎貝爾說?!斑@些組件在電信、控制系統和其他領域極為重要?!?/p>


研究人員表示,他們的目標是使用他們的優化技術和各種制造方法繼續開發超材料。


“創建更復雜的 3D 結構將使我們能夠擴展這些發現,”康說?!拔覀兿冗M的優化方法和最先進的 3D 制造技術的新組合可以進一步推動超材料的光學能力?!?/p>


電氣工程博士生 Eric B. Whiting 是該論文的第一作者。這項工作的其他貢獻者包括桑迪亞國家實驗室的 Michael D. Goldflam、Michael B. Sinclair、Katherine M. Musick 和 D. Bruce Burckel;和 Douglas H. Werner、John L. 和 Genevieve H. McCain 賓夕法尼亞州立大學電氣工程講座教授和該項目的首席研究員。Werner 還是材料研究所的教員。


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