Ученые создали новое оптоэлектронное покрытие на основе микросфер из диоксида кремния, нанесенных на тонкий перфорированный алюминиевый слой. Особенность полученного метаматериала в том, что он обладает рекордным соотношением пропускания света (до 90 %) и проводимости (удельное сопротивление до 1 Ом/м2) и гибкостью. Также его уникальной характеристикой является асимметричная прозрачность. Этот метаматериал пропускает значительно больше света в одном направлении, чем в противоположном. Результаты опубликованы в журнале Laser and Photonics Reviews.
Гибкие проводящие прозрачные покрытия проводят ток и позволяют свету проходить через них. Они широко применяются в технологиях отображения, например, в дисплеях. На настоящий момент существует множество материалов и техник для создания подобных покрытий. Однако до сих пор сохраняется актуальность задачи в оптимизации соотношения между оптической прозрачностью и сопротивлением материала.
«Целью нашего исследования была разработка рекордного по значениям пропускания и проводимости метаматериала, который также является гибким, что полностью удалось. Асимметрия получилась сама и придала значимости, поскольку таких прозрачных электродов более не существует», — рассказывает Александр Шалин, главный научный сотрудник лаборатории контролируемых оптических наноструктур МФТИ.
Для нахождения компромисса между прозрачной областью метаматериала и непрозрачным проводящим материалом ученые решили расположить прозрачные непроводящие микросферы на полостях металлической сетки. В результате получился наноструктурный электрод, состоящий из гибкой подложки, алюминиевой пленки с отверстиями и расположенных на ней наночастиц из диоксида кремния.
(a) Схема метаматериала с электродами. (b) Увеличенный фрагмент поверхности, несколько микросфер были удалены, чтобы показать конструкцию структурированного металлического слоя. (c) Принцип работы фотонного нано-джета, обеспечивающий эффективное пропускание света через металлическую апертуру. Источник: Laser and Photonics Reviews.
Ученые смоделировали структуру электрода, подбирая оптимальное решение с точки зрения устойчивости к деградации и простоты создания. Расчеты показали, что, чтобы получить пропускание не ниже 85 %, необходимо использовать сферы радиусом 750 нм и металлическую пленку толщиной 180 нм с отверстиями, радиус которых равен 450 нм.
Физики создали конструкцию с параметрами, полученными при моделировании. Важно отметить, что предлагаемые технологические этапы создания данной конструкции можно легко масштабировать для образцов больших размеров. Ученые изучали оптические и электрические свойства нового оптоэлектрода. Они исследовали пропускание слабо расходящегося луча в прямом направлении (со стороны микросфер) и в обратном направлении (со стороны алюминиевой пленки). Эксперимент показал, что пленка демонстрирует высокое пропускание вперед (более чем 90 %). Полученный результат соответствует модельному расчету. Величина пропускания слабо зависит от длины волны падающего излучения в видимом диапазоне.
Рекордное пропускание света обеспечивается за счет эффекта фотонного нано-джета, или фотонной наноструи. При прохождении света сквозь прозрачную диэлектрическую микросферу пучок света преобразуется в фотонную нанострую. Она представляет собой интенсивный световой поток, локализованный в теневой области микросферы, размеры которой сопоставимы с длиной волны падающего излучения. Сама фотонная струя имеет субволновой размер и формируется за счет интерференции рассеянного и прошедшего излучения. Именно благодаря эффекту фотонного нано-джета свет проходит через отверстия в металлической пленке с минимальными потерями на отражение и поглощение.
Как уже говорилось, полученный электрод обладает необычной характеристикой — асимметричностью пропускания. Если свет падает со стороны прозрачных микросфер, покрытие обладает большой пропускательной способностью (до 90 %). При прохождении света со стороны алюминиевой сетки пропускание материала составляет около 20 %. Ученые объясняют этот эффект тем, что размер отверстия меньше длины волны света. Соответственно, при обратном распространении света наблюдается значительное отражение от металла.
В своем исследовании физики подробно изучили зависимость величины асимметрии электрода от размера отверстия при сохранении толщины пленки (180 нм) и радиуса прозрачной микросферы (750 нм). Максимальное значение асимметрии конструкции было достигнуто при радиусе отверстия 150 нм. Возможность варьировать отношение прямого и обратного пропусканий имеет широкий диапазон применений: от экранов, покрытий для солнечных батарей до тонированных проводящих пленок. Полученный электрод, сконструированный по оптимизированным параметрам, имеет удельное сопротивление, не превышающее 1 Ом/м2. Для примера, наиболее используемый сейчас коммерческий оптический электрод имеет удельное сопротивление равное 10 Ом/м2 при пропускании не более 85 %.
«Асимметричный электрод или метаматериал — это вообще уникальная штука. Может использоваться для проводящей тонировки, например. Или в качестве электрода для скрытой камеры. Обычно их вычисляют по отражению от матрицы, но в нашем случае свет на матрицу проходить будет, а обратно уже не выйдет. То же самое для тонкопленочных солнечных батарей, у которых проблемы в том, что большая часть света там не поглощается, а либо проходит насквозь, либо отражается от нижнего электрода и опять же, пройдя насквозь, уходит наверх», — объяснил Александр Шалин.
Одним из практических достоинств разработанного оптического электрода является его устойчивость к деформации. Ученые деформировали электрод, положив его на искривленную поверхность, и измеряли его проводимость. После этого его переносили на плоскую поверхность и после восстановления материала снова измеряли проводимость. Физики провели серию измерений с различными степенями кривизны поверхности и механической деформации. Опытным путем было показано, что увеличение деформации ведет к снижению проводимости. Но при восстановлении сопротивление слоя практически возвращается к начальной величине. После серии экспериментов (более 100 деформаций и восстановлений пленки) общая проводимость электрода ухудшилась менее чем на 0,5 %. Этот результат подтверждает возможность применения разработанного электрода для применения в гибких устройствах.
«Дальше мы планируем совершенствовать технологию изготовления так, чтобы можно было создавать метаматериал (электрод) произвольной площади и высокой стабильности для практических применений», — делится Александр Шалин.
В работе принимали участие ученые из МФТИ, Университета ИТМО, Научно-производственного комплекса «Технологический центр» Ульяновского государственного университета, Рижского технического университета, НИЦ «Курчатовский институт», Нукусского Инновационного института, Университета им. Ж. И. Алферова, Тель-Авивского университета, МГУ, Ереванского государственного университета и СПбГУ.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-00037).
