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来自北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种介电薄膜，它具有类似于空气的光学和电学特性，但它的强度足以被纳入电子和光子设备中，使它们既更高效，又更稳定。
争论的焦点是一种叫做折射率的东西，它可以测量光在穿过物质时弯曲的程度。例如，空气的折射率为1，而水的折射率为1.33——这就是为什么你把吸管放进一杯水里时，它看起来是弯曲的。
光子器件要求其组件材料之间有很高的对比度，有些组件折射率高，有些折射率低。这些材料之间的对比度越高，光子器件的效率就越高，性能也就越好。空气的折射率最低，但它在机械上并不稳定。天然固体材料的最低折射率是1.39。
但现在研究人员已经开发出一种由氧化铝制成的薄膜，折射率低至1.025，但机械硬度很高。
“通过操纵氧化铝的介电结构，我们提高了它的光学和机械性能，”一篇相关论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程助理教授常志浩(Chih-Hao Chang)说。电介质是一种绝缘材料，广泛应用于各种消费产品中。例如，每个手持设备都有数百个电容器，这些电容器是可以存储和管理电荷的介电元件。
“薄膜性能的关键是孔的高度有序间距，这使它在不影响折射率的情况下具有更坚固的机械结构，”论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士生徐章说。
研究人员首先使用薄膜纳米光刻技术在Chang的实验室中开发出了一种在聚合物基底上形成高度有序孔隙的材料。然后，多孔聚合物作为模板，研究人员使用原子层沉积在其表面涂上一层薄薄的氧化铝。然后聚合物被燃烧掉，留下一层三维的氧化铝涂层。
“我们能够控制氧化铝的厚度，制造出2纳米到20纳米厚的涂层，”张说。“在同样的过程中使用氧化锌，我们可以制造出更厚的涂层。涂层的厚度控制并允许我们设计薄膜的折射率。”不管涂层有多厚，薄膜本身大约有一微米厚。
Chang说:“该工艺中的步骤具有潜在的可扩展性，并且与现有的芯片制造工艺兼容。”“我们的下一步是将这些材料集成到功能性光学和电子设备中。”
这张纸。”具有近单位折射率的有序三维薄壳纳米晶格材料的文章发表在该杂志的网络版上先进功能材料．该论文由北卡罗莱纳州的Abhijeet Bagal、Erinn Dandley、赵俊杰、christopher Oldham和Gregory Parsons共同撰写;以及空军研究实验室的Bae-Ian Wu。
这项工作是在空军研究实验室和NASA的NNX12AQ46G资助下完成的。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
具有近似统一折射率的有序三维薄壳纳米点阵材料
作者:张xu A.， Abhijeet Bagal, Erinn C. Dandley，赵俊杰，christopher J. Oldham, Gregory N. Parsons和Chih-Hao Chang，北卡罗来纳州立大学;Bae-Ian Wu，空军研究实验室
发表: 10月12日先进功能材料
DOI: 10.1002 / adfm.201502854
文摘:天然材料的折射率是有限的，空气和可用固体材料的折射率之间存在折射率差距。随着光子学和电子学的应用，人们在创造具有类似空气的光学和介电特性的人造材料方面付出了相当大的努力，同时在机械上稳定地承受负载。在这里，我们展示了一类有序纳米晶格材料，由具有近似统一折射率和高刚度的周期性薄壳结构组成。与现有的随机多孔材料相比，使用三维纳米光刻和原子层沉积相结合，这些有序的纳米结构材料减少了光学散射，提高了机械稳定性。以ZnO和Al2O3为材料，折射率从1.3降至1.025。Maxwell-Garnett有效介质理论可以准确描述实验数据，为指标设计提供指导。所展示的低折射率、低散射和高刚度材料可以作为多层光子结构、波导、谐振器和超低k介质中的高质量光学薄膜。
