Специалисты Исследовательского центра перспективных технологий XPANCEO совместно с лауреатом Нобелевской премии, профессором Константином Новоселовым открыли оптические свойства трисульфида мышьяка (As2S3), относящегося к кристаллическим полупроводникам ван-дер-ваальсова типа. Проведенные исследования продемонстрировали возможность необратимой модификации этого материала и придания ему заданной наноуровневой структуры с использованием простого непрерывного (CW) излучения, что позволяет отказаться от сложной и дорогостоящей многомиллионной литографии, выполняемой в чистых помещениях, или от применения дорогостоящих фемтосекундных импульсных лазеров.
Показатель преломления – важнейшая характеристика, определяющая степень изменения направления света при его прохождении через вещество. Более высокий показатель преломления указывает на большую способность материала задерживать и направлять световой поток. Фоторефрактивность представляет собой изменение показателя преломления, вызванное воздействием света на материал. Данный эффект может проявляться в кристаллах мышьяка 2S3 даже при слабом ультрафиолетовом освещении. Согласно результатам исследования, кристаллический As 2S3 демонстрирует необычно большое изменение показателя преломления под воздействием света (до Δn ≈ 0,3), что выше значений, характерных для классических фоторефрактивных кристаллов, таких как BaTiO 3 или LiNbO3.
Высокая фоторефрактивность материалов представляет значительную ценность, поскольку позволяет формировать оптические свойства непосредственно с помощью света, избегая сложных механических процессов. На практике это открывает возможности для создания микроскопических оптических элементов, применяемых для управления световыми потоками в телекоммуникационных системах, дифракционных структур, используемых в миниатюрных датчиках и системах визуализации, а также голографической оптики, предназначенной для защиты продукции и документов, где оптический рисунок служит уникальным идентификатором.
В As2S3 этот подход применяется в гораздо более мелком масштабе. Необычайно сильная модуляция показателя преломления помогает объяснить, почему этот материал может содержать мельчайшие «оптические отпечатки» в прозрачном формате. Такие узоры сложно воспроизвести, и они могут служить идентификаторами для защиты от подделок и отслеживания — от дорогостоящих товаров до критически важных компонентов. Чтобы продемонстрировать эту точность, научная группа использовала стандартный лазер, чтобы «вылепить» микроскопический монохромный портрет Альберта Эйнштейна, расположив точки на расстоянии 700 нанометров друг от друга. В ходе отдельных экспериментов исследователи показали, что этот метод можно использовать для еще более тонкой работы (до ~50 000 точек на дюйм, что соответствует расстоянию между точками в 500 нанометров), при этом за счет изменения показателя преломления под воздействием света достигается сильный оптический контраст, благодаря чему написанный узор четко виден при оптическом считывании.
«Изучение функциональных материалов, в особенности уникальных кристаллов ван-дер-ваальсовых структур, играет ключевую роль в прогрессе фотоники. Создание сложных оптических систем, например, усовершенствованных смарт-линз, представляет собой весьма непростую задачу, требующую глубоких и надежных знаний в области материаловедения. В подобных конструкциях материал выступает как основной элемент, определяющий физические характеристики устройства. Обнаружение природных кристаллов с высокой степенью чувствительности предоставило нам необходимые компоненты для технологий нового поколения, которые будут функционировать исключительно на основе света, а не электричества, — отметил Валентин Волков, основатель и технический директор Исследовательского центра перспективных технологий XPANCEO.
Истинный потенциал As2S3 заключается в многофункциональности для более широкого спектра оптического оборудования. Его способность физически расширяться под воздействием света на 5 % позволяет «вырезать» оптические элементы, такие как микролинзы и дифракционные решётки, прямо на поверхности материала. Это необходимо для создания очков дополненной реальности с эффектом погружения и умных контактных линз. Помимо использования в носимых устройствах, чувствительность материала позволяет применять его в фотонных схемах и наноразмерных датчиках, что знаменует собой значительный прорыв в возможностях направлять свет и управлять им. Работа опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
[Фото: XPANCEO / Valentyn Volkov]