【創新科技】世界上最薄的透鏡!

■來自澳洲及美國的科學家製作出了只有幾層原子厚的二硫化鉬透鏡。

Credit: Stuart Hay, ANU
Credit: Stuart Hay, ANU

撰文|方程毅

相信大家國中都學過透鏡成像原理,拿著直尺跟筆畫著不同光路:一下子兩倍焦距、一倍焦距;一下子又倒立實像、正立虛像,搞得頭昏眼花,希望各位對這段過去都還記憶猶新。

透鏡透過改變光路的長短及方向達到聚焦的效果。在既定的印象中,要做到聚焦及成像就必須使用厚厚的透鏡,但現在科學家竟然把透鏡減薄到只有幾層原子的厚度,到底是利用什麼樣的光學原理呢?

來自澳大利亞國立大學(Australian National University)及威斯康辛大學麥迪遜校區(University of Wisconsin, Madison)的研究人員,利用厚度6.28nm的二維材料「二硫化鉬」製作做出焦距可達284μm的透鏡,這項結果被發表在 Light: Science & Applications 期刊上。

二維材料之中最著名的便是獲得諾貝爾獎的石墨烯(Graphene),不同於一般材料,二維材料原子只在二維平面有鍵結,層與層之間靠凡德瓦力連結,也正由於是一層一層堆疊,所以材料的厚度可以非常薄,薄到只有幾層原子厚。但這項研究捨棄石墨烯、使用二硫化鉬,製作出的透鏡只有6.28nm,也就是9層原子厚,能在這麼薄薄一層材料上製作出曲面並作為透鏡,實在令人嘖嘖稱奇。

研究團隊在試圖解釋這個現象的過程中發現,當光打入二維材料中,其光程(optical path)會異常的長,因此讓光學相位的改變遠超過材料本身厚度所能達到的,而相位差正是干涉或繞射現象產生的原因。

什麼是光程呢?光程是指光在介質中所走的等效距離,一般來說光程為材料厚度乘上折射率。例如玻璃折射率約為1.4,光在玻璃內走1cm,相當於在真空走了1.4cm,1.4cm即是玻璃內的光程。但是當材料縮小到只有幾個原子厚,神奇的事情就發生了,單層二硫化鉬大約0.7nm厚,折射率約為4.4,照理說光程應該只有0.7*4.4=3.08nm,但實驗量測卻發現單層二硫化鉬的光程高達38nm,也就是對光束來說,它看到的材料比實際材料還要厚超過10倍,這讓我們能夠利用薄薄幾層材料達成其厚度10倍以上才做得到的事,光程長代表光在不同厚度的材料時能製造的相位差較大,繞射及干涉效應便更顯著。

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之所以使用二硫化鉬是因為折射率大(4.4),相比之下,另一個二維材料石墨烯的折射率只有2.6。折射率越大,這個光程加大的效應就更顯著。除此之外二硫化鉬是工業界常用的固體潤滑材料,抗熱且耐磨,因此穩定度佳,不像石墨烯由碳組成,看起來很穩定,但就跟鑽石一樣,正所謂「鑽石難久遠,加熱就完蛋」。從光學性質及穩定性來看MoS2都優於明星二維材料石墨烯。

負責這項研究,來自澳大利亞國立大學的Yuerui Lu博士表示:「二硫化鉬是個超棒的材料」「能夠在原子尺度控制光的走向開啟了超小光學元件的可能並且可以整合進先進的光學系統中。」

研究團隊除了將二維二硫化鉬做成透鏡之外,也將其作成二維光柵(grating),並且產生繞射效應,根據實驗結果,單層二硫化鉬構成的二維光柵繞射效率可達0.4%,相較之下,單層石墨烯跟2nm厚的二氧化矽分別只有0.0078%及0.0051%,而8層二硫化鉬的二維光柵繞射效率可高達23.7%。

原始論文及圖片出處:Yang, Jiong, Zhu Wang, Fan Wang, Renjing Xu, Jin Tao, Shuang Zhang, Qinghua Qin et al. "Atomically thin optical lenses and gratings." Light: Science & Applications (2016) 5, e16046; doi:10.1038/lsa.2016.46.

參考資料:World's thinnest lens to revolutionize cameras

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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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