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超级透镜为柔性显示和触屏技术带来革新
编辑:雁枫 [ 2017-3-28 14:51:04 ] 文章来源:数字标牌网
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银是古代就已知并加以利用的金属之一,也是一种重要的贵金属。银的理化性质均较为稳定,导热、导电性能很好,质软,富延展性,因此也曾作为我们的流通货币之一。

在这个纳米材料层出不穷的时代,纳米尺寸下的银也有着十分诱人的特性——一定尺寸下,能够在可见光和近红外光波段中产生表面等离子体共振,是传输可见光和近红外光的最佳等离子体激元材料。但是,要得到相当薄且状态稳定的高质量银膜层十分困难,这也制约了银薄膜作为纳米光器件材料的应用和发展。

密歇根大学电子工程和计算机工程学系教授郭凌杰(L.Jay Guo)手持这种新材料

而来自密歇根大学(University of Michigan)的研究团队研制出了一种能存在于空气中的最薄的银原子薄膜,并且材料表面十分光滑。他们别出心裁地在银薄膜沉积过程中加入了铝原子,并以此成功地获得了超薄且平整的银薄膜,暴露在空气中且不会变色。在沉积完一层抗反射涂层后,银薄膜的透明度达到了92.4%。如此良好的透明度和导电性能用于制作新型的触摸屏、平面显示屏和柔性显示屏。

该研究成果以论文的形式发表在了《先进材料(Advanced Materials)》。

研究团队还表示该材料作为光波导的性能也十分优异:因为光是在银薄膜表面利用表面等离子体共振进行传播,所以光在其中传播损耗特别小,在其中传播的距离是在其它金属波导中传播的10倍。

依靠这样的原理,研究团队还将这样的银薄膜用于超级透镜的制作,分辨率能达到一般光学显微镜达不到的尺寸,甚至能与电子显微镜媲美。这样的镜头能够用于电子芯片的光刻工艺,甚至能够取代如今深紫外光刻技术。这对于计算机硬件技术的发展无疑是一大推力。

触摸屏的材料之争

我们都知道,显示屏幕需要很多透明的电极来控制像素点的暗与亮,而触摸屏就更是需要这些电极了,我们从触摸屏的构成上就能看出来。简单而言,触摸屏是由一层不导电的玻璃或者塑料层加上一层透明的导电层构成。

以电容屏为例,正常状态,屏幕的导电情况或者说电荷分布是不变的,而一旦有导体例如我们的手指触碰了屏幕,情况就会发生改变,而系统也会因此检测到相应的信号。

触摸屏功能示意图

如今制作触摸屏上导电层的材料,用的最多的就是氧化铟锡(ITO,这是一种金属氧化物,将它涂在玻璃或者塑料的表面,就可以得到透明的薄膜。

对此,密歇根大学电子工程和计算机工程学系教授郭凌杰(L.Jay Guo)表示:透明电极的市场就被这一种材料垄断至今。但是由于触摸屏市场的不断壮大,这种材料现在也变得越来越贵了。之前是很便宜,不过现在价格飙升了。

触摸屏的应用来说,银薄膜的确拥有替代ITO材料的能力。不过高质量高性能的银薄膜并不好做,郭教授就此解释:通常情况下,制作小于15纳米厚或以下的银薄膜是十分困难的,这只有100个银原子厚了,薄膜的连续性并不好。这样的情况下,银原子总是喜欢一群一群聚集在一起形成孤岛,而不是一层完整的原子层薄膜。

不过,研究团队最终还是找到了诀窍——在沉积过程中加入了6%的铝原子,成功长出了7纳米的银薄膜(这是理论限制值的一半)。更加神奇的是,他们将其暴露在空气中,掺铝银薄膜并没有像纯银薄膜一样产生颜色的变化。并且在几个月之后,掺铝银薄膜还保持了它原有的导电性能以及透明度,也不会从玻璃上脱落。就算使用透明胶带粘,掺铝银薄膜也不会脱落。

表面等离子体共振

除了在显示方面的应用,银还有着超强的波导能力,特别是能够将可见光和红外光在其表面传播。这种传播形式就是表面等离子体,是由入射光引起的银薄膜表面电磁场的震荡。

简单而言,当光波(电磁波)照射在银薄膜表面时,银原子层表面的电荷能与光波耦合。如果银薄膜尺寸和入射光频率相符,银原子层表面的电荷还会产生震荡的现象,这就形成了一种特殊的电磁模式——表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance),此时光波作为电磁波会被局限在金属表面并发生增强。

这种震荡与银薄膜的尺寸有关,也有只有特殊波段的光才能激发,所以表面等离子体共振能从侧面显示出光的频率。那么我们也能利用这样的原理来使用光来传播信息,这其实和光纤的效果是一样的,在一端编码并发射光信号,然后在另一端接收信号并解码出传递的信息。

但是在摩尔定律的推动下,如今的电子电路越来越小,光纤的尺寸却还不能缩小到电子芯片中导线那样的尺寸,那么等离子体光波导也就承担了小尺寸世界光纤的任务,比电子传输信息的速度快了不止一点半点。而且等离子体传输对于信号的损耗几乎是没有的,这也使得银薄膜传输数据的距离变得很长,平整的银薄膜能够在1厘米的距离完成传输,这足以用于计算机芯片之中。

银薄膜等离子体的特性还能用于制作超材料(Metamaterial),这是一种有着非常规光学特性的材料,折射率可以为负,是制作完美镜头(Perfect Lens的材料,能够在衍射极限以下对物体进行成像。如图所示,由超材料构成的超材料超级透镜能够将物体射出的光线汇聚起来,进行成像。这是常规光学镜头无法做到的,这也是超材料超级透镜拥有超高分辨率的原因。

超材料以及超材料超级透镜示意图

而将银薄膜与一些电介质组合,例如玻璃,也能够制作成为另一种的超级透镜。如下图所示,就是超级透镜的工作原理,入射光汇集在镜头内在空气与玻璃交界处产生的全反射会产生一种渐逝波(evanescent wave),属于近场光学的范畴。而银薄膜此时就担当光学传感器的职责,探测这样的渐逝波与样品之间的相互作用,从而得到样品的尺寸信息。

超级透镜的原理

总的来说,使用银薄膜制成的超级透镜是一个分辨率远超平常显微镜的光学透镜,能够看到小于光波长的物体,也能用在芯片上的精准激光切割。


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