روشی نوین برای خودآرایی متا سطوح شیشه‌ای نانومقیاس از طریق ناپایداری‌های سیال

یکی از بلوک‌های کلیدی ساخت مدارهای فوتونیک انعطاف‌پذیر و اپتیک بسیار نازک، متا سطوح (metasurfaces) هستند. مهندسان، EPFL روش ساده‌ای برای ساخت این سطوح در چند دقیقه - بدون نیاز به یک اتاق تمیز -یافته‌اند. این روش مبتنی بر شیوه‌هایی است که قبلا در تولید، مورد استفاده قرار می‌گرفت. یافته‌های این تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.

مدارهای نوری به‌منظور اصلاح عملکرد بسیاری از دستگاه‌ها مور استفاده قرار خواهندگرفت. آن‌ها نه تنها 10 تا 100 برابر سریع‌تر از مدار الکترونیکی هستند، بلکه مصرف برق بسیار کمتری نیز دارند. در این مدارها، امواج نور توسط سطوح بسیار نازک به نام متا سطوح کنترل می‌شود که امواج را متمرکز و در جهت طراحی شده، هدایت می‌کنند. متا سطوح شامل نانوذراتی هستند که با فاصلة مشخصی از یکدیگر قرارگرفته‌اند و می‌توانند منجر به مدوله کردن (modulate ) امواج الکترومغناطیسی در مقیاس طول موج‌های زیر میکرومتر شوند.

متا سطوح می‌توانند مهندسان را قادر به ایجاد مدارهای فوتونیک انعطاف‌پذیر و اپتیک بسیار نازک برای بسیاری از برنامه‌های کاربردی نمایند. از جمله می‌توان از تحولی در زمینة ساخت تبلت‌ها، رایانه‌های قابل انعطاف و پنل‌های خورشیدی با ویژگی‌های جذب نور بالا نام برد. این درسته از سطوح، همچنین می‌توانند برای ساخت سنسورهای انعطاف‌پذیر برای قرار دادن مستقیم روی پوست بیمار مورد استفاده قرار گیرند، به‌عنوان مثال، برای اندازه‌گیری نبض، فشار خون و یا حتی برای تشخیص ترکیبات شیمیایی خاص، این دسته از حسگرها کاربردهای فراوانی خواهند یافت.
نکته مهم آن است که ایجاد متا سطوح با استفاده از روش‌های معمول، نظیر لیتوگرافی، فرایندی سخت و طولانی است که باید در اتاق تمیز انجام شود. اما مهندسان EPFL از آزمایشگاه مواد و تجهیزات فیبر نوری (FIMAP)، اکنون روش ساده‌ای برای ساخت این سطوح پیشنهاد کرده‌اند، که در این روش، متاسطوح، در مدت زمان چند دقیقه و در دمای پایین یا گاهی حتی در دمای اتاق، بدون نیاز به اتاق تمیز، قابل ساخت خواهد بود. روش مهندسی EPFL، متا سطوح شیشه‌ای دی‌الکتریکی را تولید می‌کند که می‌تواند سخت یا انعطاف‌پذیر ساخته شود.

در روش جدید، فرایند dewetting بررسی شده است که در حال حاضر در مکانیک سیالات نیز استفاده می‌شود. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که یک فیلم نازک از مواد، روی زیر لایه‌ای قرار گیرد و سپس حرارت داده شود. گرما باعث می‌شود که فیلم لایه نازک جمع شود و به‌صورت نانوذرات کوچک جدا گردد. Fabien Sorin، نویسنده اصلی این تحقیق و رئیس FIMAP می‌گوید:" dewetting به‌عنوان یک مشکل در تولید دیده می‌شود، اما در این تحقیق، ما از آن به‌عنوان ابزاری قدرتمند و مفید برای ساخت استفاده کردیم."

با استفاده از روش این تیم، مهندسان قادر به ایجاد متا سطوح شیشه دی‌الکتریک - به جای متا سطوح فلزی - برای اولین بار هستند. مزیت سطوح دی‌الکتریک متا این است که آن‌ها نور بسیار کمی را جذب می‌کنند و دارای ضریب شکست بالا هستند. این امر باعث می‌شود که بتوان نور عبوری از طریق این ماده را به‌صورت مؤثری مدوله کرد.

برای ساخت این متا سطوح، مهندسان ابتدا یک بستر با ساختار مورد نظر ساختند که نقش الگو را ایفا می‌کند. سپس، سطح آن را با استفاده از شیشه chalcogenide به‌صورت فیلم‌های نازک با ضخامت ده‌ها نانومتر پوشش دادند. در ادامه، زیرلایه مورد نظر به مدت چند دقیقه حرارت داده می‌شود تا شیشه ذوب شود و نانوذرات شروع به تشکیل اندازه‌ها و جایابی موقعیت‌ها بر اساس طرح مهندسی‌شده‌ی زیرلایه(الگو) کنند.

ازآنجاکه این روش توانایی تولید متا سطوح بسیار پیچیده‌ای دارد می‌تواند بسیار کارآمد باشد. برای مثال در یکی از نمونه‌های تولیدشده، لایه‌های مختلف نانوذرات و یا آرایه‌های نانوذرات با فاصله‌ای از مرتبه 10 نانومتر خودآرایی کرده‌اند. با توجه به این چینش، متا سطوح می‌توانند به تغییرات شرایط محیطی بسیار حساس باشند - مانند تشخیص حضور غلظت‌های بسیار کمی از مواد بیولوژیکی. Sorin اضافه کرد: "این اولین بار است که dewetting برای خلق کردن متا سطوح شیشه‌ای استفاده شده است. مزیتی که این روش دارد آن است که متا سطوح تولید شده صاف و منظم خواهند بود و می‌توان به آسانی بر روی سطوح بزرگ و بستر‌های انعطاف‌پذیر آن‌ها را تولید نمود.