金属介电外延超晶格使“双曲线超材料”更接近现实

“双曲线超材料”可以带来光学方面的进步，包括强大的显微镜，量子计算机和高性能太阳能电池。左侧的图形描绘了超材料的光的“双曲型色散”。中心是高分辨率的透射电子显微镜图像，显示了“超晶格”中氮化钛和氮化铝aluminum的界面，有望用于潜在的应用。右边是使用称为快速傅里叶变换的方法创建的两个图像，以查看材质中的单个层。

普渡大学的研究人员从金属氮化钛和氮化铝aluminum层创建了超晶格，从而使“双曲线超材料”更加接近现实。

印第安纳州西拉斐特–研究人员已朝“双曲线超材料”（超双晶材料）的实际应用迈出了一步，超薄晶体膜可带来光学方面的进步，包括强大的显微镜，量子计算机和高性能太阳能电池。

普渡大学电气与计算机工程副教授亚历山德拉·博尔塔瑟瓦（Alexandra Boltasseva）说，新的发展让人想起硅芯片技术的发展。

光学超材料利用称为表面等离子体激元的电子云来操纵和控制光。但是，一些正在开发的等离子体组件依赖于金和银等金属的使用，这些金属与用于构造集成电路的互补金属-氧化物-半导体（CMOS）制造工艺不兼容，并且不能有效地透射光。

现在，研究人员已经展示了如何从金属氮化钛和氮化铝aluminum，电介质或绝缘体的层中创建“超晶格”晶体。超晶格是可以通过添加新层连续生长的晶体，这是实际应用的要求。

Boltasseva说：“就材料科学和光学领域的基本贡献以及为一些有趣的应用铺平道路而言，这项工作是非常重要的一步。”“我们相信，这一演示将超材料的范式转变带给了导致硅技术取得巨大进步的类似发展。”

研究发现在本周在线发表于《美国国家科学院院刊》的早期版本中有详细介绍。

研究人员使用外延方法创建了超晶格，并使用磁控溅射技术在真空室内“生长”了这些层。很难使用该技术创建具有两种不同材料的清晰定义的超薄和超光滑层的结构。

普渡大学的博士生Bivas Saha说：“这是金属介电外延超晶格的第一个报告，”与普渡大学的前博士研究生，现为斯坦福大学的博士后学者Gururaj V. Naik共同撰写PNAS论文大学。

超材料的可能应用包括“平面超透镜”，它可以使光学显微镜的功能增强10倍，并能够看到像DNA一样小的物体，先进的传感器，更高效的太阳能收集器和量子计算。

Boltasseva说：“等离子体和超材料设备需要良好的材料构建块，包括等离子体和电介质，才能在任何实际应用中使用。”“在这里，我们开发了等离子体和介电材料，它们可以外延生长成具有锋利界面的超薄和超光滑层。”

超材料的工程化表面包含特征，图案或元素，例如微小的天线或氮化物交替层，可实现空前的光控制。经过约15年的发展，超材料在纳米级的精确设计方面具有非凡的潜力。

PNAS的论文由Naik撰写；萨哈；博士生刘静和萨米·M·萨伯；布鲁克黑文国家实验室的研究员埃里克·斯塔克（Eric Stach）；普渡大学农业与生物工程系教授Joseph Irudayaraj；学术事务和教务执行副总裁蒂莫西·桑德斯（Timothy D. Sands），材料工程学院和电气与计算机工程学院的工程学教授罗勒·S·特纳（Basil S. Turner）；普渡大学伯克纳米技术中心纳米光子学的科学总监，也是电气和计算机工程的杰出教授，弗拉基米尔·沙拉耶夫（Vladimir M. Shalaev）；和博尔塔瑟瓦（Boltasseva）。

“这项工作源于纳米光子学与材料科学之间的独特合作，” Boltasseva说。

当光在一个方向上通过双曲线超材料时，它就像金属一样，在垂直方向上像电介质一样。这种“极端的各向异性”导致光的“双曲型色散”，并导致从设备中提取比其他方式更多的光子，从而实现了高性能。

本研究中使用的氮化钛和氮化铝aluminum的厚度分别约为5至20纳米。但是，研究人员已经证明，也可以开发出这种超晶格，其中的层可以薄至2纳米，一个很小的尺寸只有约8个原子厚。

萨哈说：“人们已经尝试了50多年，以原子级精度将金属和半导体结合起来以制造超晶格。”“但是，这是实现这一步骤的首批演示之一。我们在这里看到的迷人的光学性能是我们已经实现的非凡结构控制的体现。”

通过选择具有兼容晶体结构的金属和电介质，可以使这一壮举成为可能，从而使各层可以作为超晶格一起生长。研究人员将氮化铝和氮化scan合金化，这意味着氮化铝被scan原子浸渍，以改变材料的晶格以匹配氮化钛。

萨哈说：“对于整个金属外延系统而言，同时生长金属和介电材料组件的可能性对于实现高性能超材料是必不可少的。”“绊脚石之一是，诸如二氧化硅，氧化铝和其他氧化物之类的普通电介质不能与诸如金属氮化物之类的金属成分结合使用，因为沉积过程彼此不兼容。”

两种材料都应具有相同或兼容的晶体结构。

他说：“一般来说，生长外延质量薄膜的晶格失配小于5％是必要的。”

已通过Purdue技术商业化办公室提交了美国专利申请。

该材料已被证明可以在从近红外光到可见光的广谱范围内工作，从而有望在广泛的应用领域中发挥作用。

Boltasseva说：“这是这项工作的新颖部分，我们可以创建一个超晶格超材料，该材料在可见光谱范围内显示双曲线弥散。”

近红外对于电信和光学通信至关重要，可见光对于传感器，显微镜和高效固态光源至关重要。

她说：“最有趣的是量子信息技术领域。”

基于量子物理学的计算机将具有同时处于打开和关闭状态的量子位或“量子位”，从而大大提高了计算机的功能和内存。量子计算机将利用量子理论描述的称为“纠缠”的现象。代替常规计算机处理中仅使用的状态1和0，在状态1和0之间存在许多可能的“纠缠量子态”，从而增加了处理信息的能力。

这项研究部分由美国陆军研究办公室和美国国家科学基金会资助。

出版物：Gururaj V. Naik等人，“氮化钛作为光学双曲超材料的等离子体成分的外延超晶格”，PNAS，2014年；土井：10.1073 / pnas.1319446111

图像：普渡大学