“光半導體”即將出世——光學材料大革命來襲！

木木 6年前 (2017-03-09) 4999瀏覽

材料牛注：近日，科學家們偶然間發現了雙金剛石結構，這為光子帶隙材料（PBM）的制備奠定了理論基礎。PBM就像“光半導體”一樣，可以具有極高折射率，也可以具有負折射率。這種材料可以用于制造具有優異性能的透鏡，照相機和顯微鏡，甚至可能制造傳說中的“隱形斗篷”。
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當John Crocker還是賓夕法尼亞大學工程和應用科學學院化學和生物分子工程專業教授的時候，他的導師將實驗室里的每個人都聚集起來，對光學領域發起新的挑戰。
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一些科學家已經預測過，如果可以生長出和金剛石結構中碳原子相同結構的膠體晶體，它將會具有可以改變光子學的特殊光學性質。在這種材料，或者稱之為光子帶隙材料（PBM）中，光將以數學上類似于電子在半導體中移動的方式起作用。
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Crocker說：“技術含義上即是說，這種材料將允許構建光的“晶體管”，能夠在特定的位置捕獲光，以及為光和更有效的發光二極管(LED)和激光器構建微電路。”
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當時，Crocker決定追求他自己的項目，將PBMs的追求留給別人。二十年后，Crocker自己的研究生Yifan Wang 從事不同項目時偶然間發現了這個難以捉摸的金剛石結構。這將他們推向了實現PBMs的道路，Crocker說：“這真是定向粒子自組裝的圣杯。這是科學發現上偶然發現的新故事，你不能預測這些事情。有時你很幸運，一些驚奇的事情就會出現。”
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此項研究是由Crocker，Wang，哈佛大學工程和應用科學學院(SEAS)的Talid Sinno教授和研究生Ian Jenkins一起完成的。研究結果已經發表在Nature Communications雜志上。
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要想作為PBM，材料需要具備的不是原子尺度的而是光波長度尺度的晶體結構。Crocker說：“你需要將一些透明材料雕刻或者排列成一系列具有特定對稱性的球體，這些球體或者孔洞具有幾百納米的尺寸。”
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Crocker說：“在90年代，科學家相信有很多不同可行的方法排列這些球體和使用類似于半導體晶體生長的膠體晶體所需的結構：膠體球自發地排列成不同的晶格。”
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蛋白石是這方面一個自然的例子。 它們是當地下水中的二氧化硅形成微觀球體時形成的，其在地下結晶，然后在固體中變成化石。雖然蛋白石不具有作為PBMs的右對稱性，但是它們熒光色的外觀源自它們的與光波尺度相似的周期性晶體結構上。
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為了制備PBM，主要的目標是將微觀球體排列成為模擬金剛石晶格中碳原子的原子排列的3-D圖案。不像其他晶體，這種結構缺少其他晶體特定的對稱方向，光可以正常工作，金剛石結構可以保持PBM效應。
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科學家們假設他們能夠使用不同的材料制造具有不同結構的合成蛋白石以產生PBM。但是，實驗證明這比他們想的更困難，20年后，他們仍然沒有完成。
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為了最終創建這些金剛石晶格，賓夕法尼亞大學(Penn)的研究人員使用兩種尺寸微微不同的DNA覆蓋微球。Crocker說：“由于DNA在顆粒之間形成橋梁，當在正確溫度下孵育時，這些會自發地形成膠體晶體。在某些特定條件下，晶體具有雙金剛石結構，兩個互相貫穿的金剛石晶格，每一個都是由顆粒的一種尺寸或者‘風味’組成。”然后，他們將這些晶體一起交聯成為固體。
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Crocker將這一成就視為好運氣，研究人員并沒有開始創造這種鉆石結構，他們一直在做一個“混合和祈禱”實驗：Wang正在調整五個材料變量從而探索參數空間。迄今為止，他們已經研制出了11種不同的晶體，其中之一是令人驚訝的雙金剛石結構。
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Sinno說：“通常當出現意想不到的事情時，它將打開一扇新技術方法的大門，這將可能出現新的物理學，而不是滿是灰塵的教科書物理學。”
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現在，他們已經清除了創建PBM路徑上的重大障礙，研究人員需要找出如何去掉高折射率顆粒材料的方法，選擇性地分解一種材料，從而留下一個自組裝的膠體微球的金剛石晶格 。
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如果可以成功地制造出PBM，這種材料將會像一種“光半導體”，具有自然界材料不具備的與眾不同的光學性能。正常的透明材料的折射率在1.3~2.5之間。這些PBMs可能會具有極高的折射率，或者甚至是向后折射光的負折射率。
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這樣的材料可以用于制造具有更好性能的透鏡，照相機和顯微鏡，或者甚至可能制造“隱形斗篷”，它是一種重新定向中心室周圍所有光線的固體，從而使物體隱形。盡管研究者們一直能重現這個實驗超過十幾次，但是Sinno 和Jenkins卻一直不能重現模擬中的發現。這是Wang制造出的11種晶體中的唯一的結構，它們一直不能在模擬中被復制。
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Sinno說：“這是到目前為止我們發現的一種結構，我們不能解釋這些可能和無人預測你能用這個系統形成它的事實無關的東西。過去我們有很多其他文章，真正展示了用我們的方法解釋一切問題是多么的強大。在某種程度上，事實上沒有一項研究可以增加產生了根本不同東西的證據。”
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研究人員目前認為，一個不同的未知晶體生長，然后轉變成雙金剛石晶體，但這個想法已經被證明很難確認。
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Crocker說：“當你理解某事時，你習慣寫文章，所以我們有一個困境。通常，當我們發現一些東西，我們反復咀嚼，做模擬實驗，然后當它所有的東西都有道理時，我們才會寫它。在這種情況下，我們必須三重檢查一切，然后做一個判斷說，這是一個令人興奮的發現，從而超越我們的其他人也可以從事這項研究，思考，并幫助我試圖解決這個難題。”
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本文由材料人編輯部丁菲菲提供素材，樊超編譯，點我加入編輯部。
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材料測試，數據分析，上測試谷。
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