Стекло традиционно воспринимается как прозрачный и стабильный материал, широко используемый в оптике благодаря своей способности пропускать свет без существенных потерь. Однако последние исследования, проведённые учёными из Сингапурского университета технологий и дизайна, открывают принципиально новые свойства стекла в области нанофотоники. Благодаря инновационной технологии 3D-печати наноструктур из специального фотополимерного состава, в основу которого входят кремнийсодержащие молекулы, была создана система стеклянных фотонных кристаллов, отражающих почти 100% видимого света. Это открытие бросает вызов устоявшимся представлениям о том, что низкоиндексные материалы, к которым относится стекло и его производные, не способны эффективно контролировать свет на наноуровне и конкурировать с высокоиндексными материалами, такими как полупроводники или керамика. В основе нового метода лежит уникальный фотополимер с названием Glass-Nano.
Его формула позволяет с помощью двухфотонной литографии создавать трехмерные структуры с разрешением до 260 нанометров. Вместо обычных подходов, где используют частицы оксида кремния, разработка включает молекулы, содержащие кремний, что обеспечивает равномерное затвердевание и схлопывание материала при термической обработке. Благодаря «печати и усадке» после обжига при 650°C структуры сохраняют форму и приобретают кристаллическую однородность с идеально гладкой поверхностью, что критично для эффективности фотонных кристаллов. Фотонные кристаллы – это материалы с периодической наноструктурой, взаимодействующие с конкретными длинами волн света, создавая эффекты отражения или пропускания. Раньше попытки создать фотонные кристаллы из низкоиндексных материалов часто заканчивались неудачей из-за сложности обеспечения точной и равномерной геометрии.
Каждое отклонение приводило к падению отражательных свойств и искажению спектральных характеристик. Новая технология позволяет продемонстрировать, что, обладая контролем над микроструктурой и достаточной однородностью, стеклянные нанокристаллы могут конкурировать по отражению с более плотными и дорогими материалами. Результаты экспериментов подтверждают теоретические модели фотонных зон, что подтверждает точность и стабильность нанесённых структур. Более того, были выявлены тонкие спектральные особенности, ранее не регистрируемые или воспринимаемые как шум, которые соответствуют стоячим волнам в структуре. Это ещё больше углубляет понимание взаимодействия света с наноструктурами и открывает возможности для создания новых оптических устройств с точным управлением светом.
Процесс сохранения формы после усадки кажется парадоксальным, ведь традиционно сильное термическое сжатие приводит к деформации и разрушению. Однако на наномасштабе высокое отношение поверхности к объему способствует стабильности. Особая химическая композиция фотополимера с несколькими сшивающими агентами и кремнийсодержащими компонентами обеспечивает механическую прочность и стабильность в процессе термической обработки. Применение таких наноструктур выходит далеко за рамки зеркал и отражателей. Структурированные цвета, образуемые точным периодическим расположением кристаллов, могут применяться в дисплеях, которые не нуждаются в пигментах и, следовательно, потребляют меньше энергии.
В перспективе это важный шаг к разработке экологически чистых и энергоэффективных экранов, которые могут найти применение в носимых гаджетах, интегрированных дисплеях и датчиках. Кроме того, возможность 3D управления геометрией множества единичных элементов фотонного кристалла открывает путь к созданию сложных оптических компонентов, таких как волноводы и резонаторы, функционирующие как в видимом, так и в телекоммуникационном диапазоне. Это расширяет потенциал разработки новых нанофотонных систем с минимальными потерями передачи и высокой стабильностью. На данный момент исследователи продолжают совершенствовать основу Glass-Nano, работая над гибридными составами, которые могут обладать люминесцентными или нелинейными оптическими свойствами. Параллельно ведутся работы по созданию скоростных и масштабируемых методов 3D-печати, что позволит внедрять производство таких наноструктур в промышленность.
