【奈米材料】超低折射率材料

■折射率的重要性可不只水中筷子看起來斷成兩截那麼簡單,它幾乎決定了光學元件的性質、表現及製造方式,可說是光學領域的根本。但是大自然卻缺了一些重要區間給我們使用……

dielectricfi撰文|方程毅

學光學工程的人三句話不離折射率,關於折射率的學術研究更是不勝枚舉,但廢話講一堆不如舉兩個例子讓大家感覺一下折射率的具體行為,讓各位讀者更了解為什麼需要超低折射率材料。第一個是界面反射,折射率決定了材料交界面的反射大小,當兩個材料折射率差距越大,交界處的反射就越高,例如空氣折射率為1、玻璃大約1.45,兩者差距不大,界面反射很小,所以幾乎完全透明,但玻璃跟空氣依舊有4%左右的反射,所以我們看螢幕的時候還是有反光,如果螢幕材料的折射率可以更低,就能減少反光。另一方面,太陽能電池的主要材料,矽晶圓就不是這麼回事了,矽的折射率大約為3.4,空氣跟矽的折射率差距很大,因此一束光從空氣照射到矽表面有40-60%光被反射回去,無法轉換成電能,這也是矽太陽能電池表面要做各式各樣抗反射層的原因。

第二個例子為積體光路系列提及的光波導。光波導的工作原理跟光纖類似,將光困在高折射率的材料中,因此能走在我們想要的路徑上,光波導與周圍材料的折射率差距越大,光就越能被侷限。光纖的主要材料也是玻璃(1.45),折射率大於周圍的空氣,所以可以導光,但因為差距不大所以光纖截面的直徑不能太小,否則還是會散出來,一般來說,光纖的截面直徑大概在數百微米左右(micrometer);但積體光路的光波導就不一樣了,其主要材料是矽(3.4),折射率跟空氣差距較大,因此用矽做成的光波導截面積可以小到數百奈米,而截面積小正是光路能積體化的關鍵。

既然折射率那麼重要,我們就希望有許多不同折射率的材料任君挑選,但大自然材料有限,不是什麼都有,因此針對應用需要,科學家必須「做」出特定折射率的材料。以一般固態材料來說,最缺乏的是折射率接近空氣的低折射率材料,目前已知折射率最接近空氣的介電材料(dielectric material)是 \ MgF_{2} (1.37),介於1到1.37之間就沒有了,因此科學家必須設法填補這個區間,既然材料本身無法呈現低折射率,就只好改變結構。想要改變折射率,最直觀的想法是把低折射率材料混到高折射率材料中,呈現出來的等效折射率就會介於兩者之間,聽起來美好又簡單,對吧?

天底下哪有這麼簡單的事!難道把玻璃挖幾個洞折射率就會跟空氣平均嗎?

折射率隨著材料比率改變的前提是結構要夠小,至少遠小於波長,光才能將其視為「一個均勻材料」,而不是材料上有一堆洞,可見光波長大約是幾百奈米,如果真的要挖洞,也要挖「奈米洞」才行。

美國北卡羅萊納州立大學(North Carolina State University)Chih-Hao Chang教授實驗室根據這個概念做出具有奈米結構的簍空氧化鋁(Al2O3,本身折射率1.65),量測顯示其等效折射率只有1.025,是目前已知介電材料中折射率最低的結構,如圖所示整個結構是由2.1奈米薄的氧化鋁組成,氧化鋁佔有的體積比例非常低(只有2.63%),也因此製備過程並不容易,簡單來說是先建造一個3D的高分子模板,再鍍上一層薄薄的氧化鋁,最後再將高分子模板去掉,只留下3維氧化鋁支架。

事實上低折射率不是沒人做過,奈米碳管也能做到超低折射率(1.026),但跟氧化鋁不同的是奈米碳管在可見光波段會吸收光子,雖然折射率低,但不透明,況且奈米碳管顧名思義是一根一根管子,不易做成想要的形狀,而簍空的氧化鋁卻能因應不同需求做成不同形狀,應用性較廣,同時也能藉由改變氧化鋁支架的厚度改變體積佔有率,進而調整折射率,2.1奈米厚的氧化鋁支架折射率1.025、6奈米厚則折射率增加為1.04、16.3奈米厚的氧化鋁折射率可達1.1。

雖然這個方法能做出低折射率材料,但材料性質可不是只有折射率而已,還要考慮機械強度、化學穩定性及製備難度等等。折射率接近1的結構不是沒有人做出來,但都是隨機結構,並非長程有序,所以機械強度弱,也不適合整合進光學工業,而簍空的氧化鋁支架不僅形狀穩定可預測,機械強度也較優(15奈米厚、體積百分比為16.74%的簍空氧化鋁,剛性可達7GPa)。

這項研究被發表在Advanced Functional Materials期刊上,Chih-Hao Chang教授表示:「這個材料的製備過程是有潛力大規模生產,並且能夠整合進晶片的製程步驟裡。」「我們下個目標就是將這個材料整合進光學或是電子元件中。」

原始論文及圖片來源:Zhang, Xu A., Abhijeet Bagal, Erinn C. Dandley, Junjie Zhao, Christopher J. Oldham, Bae‐Ian Wu, Gregory N. Parsons, and Chih‐Hao Chang. "Ordered 3D Thin‐Shell Nanolattice Materials with Near‐Unity Refractive Indices." Advanced Functional Materials (2015).

參考資料:Dielectric film has refractive index close to air

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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