鈦酸鍶薄膜革新紅外成像技術(shù),顯著提升成像分辨率

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種特殊的薄膜可以“束縛或壓縮”紅外光。這一發(fā)現(xiàn)對于開發(fā)新一代紅外成像技術(shù)具有重要意義。該研究成果已發(fā)表于Nature Communications期刊。

這種薄膜相比塊體晶體能更好的束縛紅外光，而塊體晶體已是成熟的紅外光束縛技術(shù)。該新型薄膜保持了所需的紅外頻率，但壓縮了波長，使成像設(shè)備能夠以更高的分辨率捕捉圖像。

該研究共同通訊作者、北卡羅來納州立大學材料科學與工程系助理教授Yin Liu說：“我們已經(jīng)證明可以將紅外光波長壓縮至10%，同時保持其頻率，這意味著一個波長循環(huán)所需要的時間相同，但波峰之間的距離更近。而塊體晶體技術(shù)可將紅外光波長壓縮至97%左右。”

該研究共同第一作者、北卡羅來納州立大學材料科學與工程系助理教授Ruijuan Xu說：“這種特性以前只存在于理論上，但我們通過制備薄膜的方法和創(chuàng)新地利用同步加速器近場光譜，首次在實驗中證明了這一點?！?/p>

在這項研究中，研究人員使用了過渡金屬鈣鈦礦材料。他們利用脈沖激光沉積技術(shù)，在真空室中生長出100納米厚的鈦酸鍶（SrTiO3）晶體膜。這種薄膜由于具有高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)，因此幾乎沒有缺陷。之后，將薄膜置于硅襯底的氧化硅表面，再與生長在其上的襯底分離。

SrTiO3薄膜的制備和結(jié)構(gòu)表征

隨后，將鈦酸鍶薄膜暴露在紅外光下，研究人員在勞倫斯伯克利國家實驗室使用了同步加速器近場光譜儀。這樣，研究人員就能記錄這種材料與紅外光的納米級相互作用。

要充分理解研究人員的發(fā)現(xiàn)，需要深入了解聲子、光子和極化子。聲子和光子都是穿過材料的能量載體。

聲子是原子振動產(chǎn)生的波，本質(zhì)上代表聲能。光子則是電磁波，代表光能。聲子極化子是紅外光子與光聲子（一種能發(fā)射或吸收光的聲子）相互作用時產(chǎn)生的混合準粒子。

理論文章提出，過渡金屬鈣鈦礦氧化物膜可以允許聲子極化激元束縛紅外光。而我們的研究證明，聲子極化激元確實能束縛光子，并能防止光子向材料表面外擴散。

Yin Liu表示：“這項成果構(gòu)建了一類新的光學材料，可以控制紅外波長的光，這在光子學、傳感器和熱管理方面具有潛在的應(yīng)用價值。例如，可以想象在設(shè)計計算機芯片時，利用這些材料將熱量轉(zhuǎn)化為紅外光，從而達到散熱的目的?！?/p>

Ruijuan Xu說：“這項研究令人興奮，因為我們所展示的制造這些材料的技術(shù)，意味著薄膜可以很容易地與各種襯底集成，意味著可以很容易地將這些材料集成到許多不同類型的器件中?！?/p>