Учёные создали растяжимую кремниевую структуру для управления терагерцовыми волнами
Исследователи из Осакского исследовательского института промышленной науки и технологий (ORIST) совместно с коллегами из университетов Осаки и Тохоку разработали способ придать кремниевой структуре — хрупкому и негибкому в обычных условиях — механическую растяжимость. Для этого в 200-микрометровой кремниевой пластине вытравили систему спиральных прорезей с тонкими перемычками шириной около 10 мкм. Статья опубликована в журнале Optica.
Принцип работы
Кремний как таковой не становится эластичнее — меняется его архитектура. Тонкие спиральные «пружины» между прорезями позволяют всей структуре растягиваться, не растрескиваясь, тогда как сплошная кремниевая пластина сломалась бы. Д-р Хидэмаса Ямане (Hidemasa Yamane): «Крошечные пружины позволяют конструкции изгибаться и растягиваться».
При растяжении воздушные щели расширяются, а доля кремния в единице объёма уменьшается. Поскольку показатель преломления материала определяется соотношением кремния и воздуха, деформация напрямую меняет оптические свойства — без каких-либо дополнительных материалов или электрических сигналов.
Что происходит при растяжении на 12,6%:
- Для поляризации, перпендикулярной направлению растяжения, эффективный показатель преломления снижался примерно на 6%
- Для поляризации вдоль направления растяжения — примерно на 8%
- Разница откликов означает, что деформация меняет также двулучепреломление материала
- Кремниевое заполнение объёма снижалось с примерно 0,60 (в ненапряжённом состоянии) до примерно 0,53 при максимальном растяжении
Структура самонесущая: никакой полимерной или металлической подложки не требуется, что важно для совместимости с кремниевыми технологиями производства.
Терагерцовый диапазон и его особенности
Терагерцовые волны занимают промежуток между микроволнами и видимым светом. Они проникают через многие непрозрачные материалы и уже применяются в системах неразрушающего контроля, медицинской диагностике и перспективных системах беспроводной связи сверхвысокой скорости. Управление фазой и поляризацией терагерцового излучения требует материалов с перестраиваемым показателем преломления — именно эту функцию и выполняет новый механически деформируемый кремний.
Профессор Масаюки Фудзита (Masayuki Fujita): «Механическая деформация открывает новый путь для терагерцовой кремниевой фотоники». Команда рассматривает разработку как задел для создания перестраиваемых интегральных терагерцовых схем на основе технологии МЭМС.
Ограничения и дальнейшие шаги
Читайте также: Покрытие из кремниевых наносфер даёт глянцевый цвет без пигментов.
Сигнал хорошо описывается моделью однородной пластины ниже примерно 0,6 ТГц; выше этой частоты периодическая микроструктура вносит дополнительные эффекты. В будущем исследователи планируют изучить более сложные геометрии спиралей и интеграцию с другими элементами терагерцовых схем.
