Harvard İlk Büyük Ölçekli Cam Metalleri Yaratıyor

Tamamı camdan oluşan büyük metaller güneş, ay ve bulutsuların görüntülerini yakalıyor.

Metalensler, dokunun mikroskobik özelliklerini görüntülemek ve ışığın dalga boyundan daha küçük ayrıntıları çözmek için kullanılmıştır. Şimdi daha da büyüyorlar.

Harvard John A. Paulson Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Okulu’ndaki (SEAS) araştırmacılar, güneşi, ayı ve uzaktaki bulutsuları yüksek çözünürlükle görüntüleyebilen 10 santimetre çapında cam metalenler geliştirdi. Bu, geleneksel CMOS üretim teknolojisi kullanılarak seri üretilebilen, görünür dalga boyundaki ilk tamamen camdan, büyük ölçekli metallerdir.

Araştırma yakın zamanda dergide yayımlandı ACS Nano.

Nanofabrikasyonda Atılım

Federico Capasso şöyle konuştu: “En son teknolojiye sahip yarı iletken dökümhane süreçlerini kullanarak eşi benzeri görülmemiş derecede büyük bir düz mercek üzerinde on milyarlarca nano sütunun boyutunu doğru bir şekilde kontrol etme yeteneği, uzay bilimi ve teknolojisi için heyecan verici yeni fırsatların kapısını açan bir nano üretim başarısıdır.” , Robert L. Wallace Uygulamalı Fizik Profesörü ve Vinton Hayes, SEAS Elektrik Mühendisliği Kıdemli Araştırma Görevlisi ve makalenin kıdemli yazarı.

Işığı odaklamak için milyonlarca sütun benzeri nanoyapıyı kullanan düz metallerin çoğu, bir parıltı parçası boyutundadır. 2019’da Capasso ve ekibi, derin ultraviyole (DUV) projeksiyon litografi adı verilen bir teknik kullanarak santimetre ölçeğinde bir metal geliştirdi; bu teknik, doğrudan cam levhaya kazınabilen bir nanoyapı deseni yansıtıyor ve oluşturuyor; böylece zaman alıcı yazı yazma ve yazma işlemlerini ortadan kaldırıyor. önceki metalensler için gerekli olan biriktirme işlemleri.

Kuğu takımyıldızındaki Kuzey Amerika Bulutsusu’nun Cambridge’deki Bilim Merkezi’nin çatısındaki metaller tarafından çekilen görüntüsü. Kredi bilgileri: Capasso Lab/Harvard SEAS

DUV projeksiyon litografisi, akıllı telefonlar ve bilgisayarlar için silikon çiplerdeki ince çizgileri ve şekilleri modellemek için yaygın olarak kullanılır. SEAS’ta eski bir yüksek lisans öğrencisi ve şu anda Capasso’nun ekibinde doktora sonrası araştırmacı olan Joon-Suh Park, tekniğin yalnızca metalensleri toplu olarak üretmek için kullanılamayacağını, aynı zamanda sanal ve artırılmış gerçeklikteki uygulamalar için boyutlarını da artırabileceğini gösterdi.

Ancak metalleri astronomi ve serbest uzay optik iletişimindeki uygulamalar için daha da büyütmek bir mühendislik sorunu ortaya çıkardı.

Mühendislik Zorluklarının Üstesinden Gelmek

Makalenin ilk yazarlarından Park, “Litografi aracında büyük bir sınırlama var çünkü bu araçlar bilgisayar çipleri yapmak için kullanılıyor, dolayısıyla çip boyutu 20 ila 30 milimetreden fazla olmayacak şekilde sınırlandırılıyor” dedi. “100 milimetre çapında bir mercek yapmak için bu sınırlamayı aşmanın bir yolunu bulmamız gerekiyordu.”

Park ve ekip, DUV projeksiyon litografi aracını kullanarak çeşitli nanosütun desenlerini bir araya getirmek için bir teknik geliştirdi. Araştırmacılar, merceği 25 bölüme bölerek, ancak dönme simetrisini göz önünde bulundurarak çeyrek dairenin yalnızca 7 bölümünü kullanarak, DUV projeksiyon litografisinin, 10 santimetrelik dairesel bir alan üzerine 18,7 milyar tasarlanmış nanoyapıyı birkaç dakika içinde şekillendirebildiğini gösterdi. Ekip ayrıca cama kazınmış yüksek en-boy oranı, pürüzsüz yan duvar nanosütunlarının oluşturulmasına olanak tanıyan dikey bir cam gravür tekniği de geliştirdi.

Soon Wei Daniel Lim, “Aynı DUV projeksiyon litografisini kullanarak, büyük çaplı, sapmaları düzelten meta-optikler veya daha büyük cam çaplı plakalar üzerinde daha büyük lensler üretilebilir, çünkü ilgili CMOS dökümhane araçları sektörde giderek daha fazla kullanılabilir hale gelir” dedi. SEAS’ta doktora sonrası araştırmacı ve makalenin ortak ilk yazarı.

10 santimetre çapındaki bu cam metaller güneşi, ayı ve uzaktaki bulutsuları yüksek çözünürlükte görüntüleyebiliyor. Kredi bilgileri: Capasso Lab/Harvard SEAS

Lim, seri üretim süreçleri sırasında ortaya çıkabilecek tüm olası üretim hatalarının ve bunların metalenslerin optik performansını nasıl etkileyebileceğinin tam simülasyonunda ve karakterizasyonunda öncü bir rol oynadı.

Olası üretim zorluklarını ele aldıktan sonra araştırmacılar, gök cisimlerini görüntülemede metallerin gücünü gösterdiler.

Metalenlerin Yeteneklerini Göstermek

Metalleri renk filtreli ve kamera sensörlü bir tripoda monte eden Park ve ekip, Harvard Bilim Merkezi’nin çatısına çıktı. Orada, Güneş’i, ayı ve yaklaşık 2.590 ışıkyılı uzaklıktaki Kuğu takımyıldızında sönük bir bulutsu olan Kuzey Amerika Bulutsusu’nu görüntülediler.

Capasso Laboratuvarı’nda yüksek lisans öğrencisi ve makalenin ortak yazarı Arman Amirzhan, “Güneş, Ay ve nebulanın geleneksel lenslerle çekilen görüntülerle karşılaştırılabilecek kadar ayrıntılı görüntülerini elde edebildik” dedi.

Araştırmacılar yalnızca metalleri kullanarak aynı güneş lekesi kümesini görüntülemeyi başardılar. NASA Aynı gün çekilen fotoğraf.

Ekip ayrıca lensin aşırı sıcağa, aşırı soğuğa ve uzaya fırlatma sırasında meydana gelebilecek yoğun titreşimlere, optik performansta herhangi bir hasar veya kayıp olmaksızın dayanabileceğini gösterdi.

Boyutu ve yekpare cam bileşimi nedeniyle lens, uzun menzilli telekomünikasyon ve yönlendirilmiş enerji taşıma uygulamaları için de kullanılabilir.

Referans: Joon-Suh Park, Soon Wei Daniel Lim, Arman Amirzhan, Hyukmo Kang, Karlene Karrfalt, Daewook Kim, Joel Leger, Augustine Urbas, Marcus Ossiander, Zhaoyi Li tarafından yazılan “Kozmosun Görüntülenmesi için Tamamen Cam 100 mm Çaplı Görünür Metaller” ve Federico Capasso, 17 Ocak 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c09462

Araştırma Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı tarafından desteklendi (DARPA) Hibe No. HR00111810001 ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi, Ödül No. FA9550-22-1-0312 kapsamında.