“光半导体”即将出世——光学材料大革命来袭！

材料牛注：近日，科学家们偶然间发现了双金刚石结构，这为光子带隙材料（PBM）的制备奠定了理论基础。PBM就像“光半导体”一样，可以具有极高折射率，也可以具有负折射率。这种材料可以用于制造具有优异性能的透镜，照相机和显微镜，甚至可能制造传说中的“隐形斗篷”。

 

 

当John Crocker还是宾夕法尼亚大学工程和应用科学学院化学和生物分子工程专业教授的时候，他的导师将实验室里的每个人都聚集起来，对光学领域发起新的挑战。

 

一些科学家已经预测过，如果可以生长出和金刚石结构中碳原子相同结构的胶体晶体，它将会具有可以改变光子学的特殊光学性质。在这种材料，或者称之为光子带隙材料（PBM）中，光将以数学上类似于电子在半导体中移动的方式起作用。

 

Crocker说：“技术含义上即是说，这种材料将允许构建光的“晶体管”，能够在特定的位置捕获光，以及为光和更有效的发光二极管(LED)和激光器构建微电路。”

 

当时，Crocker决定追求他自己的项目，将PBMs的追求留给别人。二十年后，Crocker自己的研究生Yifan Wang 从事不同项目时偶然间发现了这个难以捉摸的金刚石结构。这将他们推向了实现PBMs的道路，Crocker说：“这真是定向粒子自组装的圣杯。这是科学发现上偶然发现的新故事，你不能预测这些事情。有时你很幸运，一些惊奇的事情就会出现。”

 

此项研究是由Crocker，Wang，哈佛大学工程和应用科学学院(SEAS)的Talid Sinno教授和研究生Ian Jenkins一起完成的。研究结果已经发表在Nature Communications杂志上。

 

要想作为PBM，材料需要具备的不是原子尺度的而是光波长度尺度的晶体结构。Crocker说：“你需要将一些透明材料雕刻或者排列成一系列具有特定对称性的球体，这些球体或者孔洞具有几百纳米的尺寸。”

 

Crocker说：“在90年代，科学家相信有很多不同可行的方法排列这些球体和使用类似于半导体晶体生长的胶体晶体所需的结构：胶体球自发地排列成不同的晶格。”

 

蛋白石是这方面一个自然的例子。 它们是当地下水中的二氧化硅形成微观球体时形成的，其在地下结晶，然后在固体中变成化石。虽然蛋白石不具有作为PBMs的右对称性，但是它们荧光色的外观源自它们的与光波尺度相似的周期性晶体结构上。

 

为了制备PBM，主要的目标是将微观球体排列成为模拟金刚石晶格中碳原子的原子排列的3-D图案。不像其他晶体，这种结构缺少其他晶体特定的对称方向，光可以正常工作，金刚石结构可以保持PBM效应。

 

科学家们假设他们能够使用不同的材料制造具有不同结构的合成蛋白石以产生PBM。但是，实验证明这比他们想的更困难，20年后，他们仍然没有完成。

 

为了最终创建这些金刚石晶格，宾夕法尼亚大学(Penn)的研究人员使用两种尺寸微微不同的DNA覆盖微球。Crocker说：“由于DNA在颗粒之间形成桥梁，当在正确温度下孵育时，这些会自发地形成胶体晶体。在某些特定条件下，晶体具有双金刚石结构，两个互相贯穿的金刚石晶格，每一个都是由颗粒的一种尺寸或者‘风味’组成。”然后，他们将这些晶体一起交联成为固体。

 

Crocker将这一成就视为好运气，研究人员并没有开始创造这种钻石结构，他们一直在做一个“混合和祈祷”实验：Wang正在调整五个材料变量从而探索参数空间。迄今为止，他们已经研制出了11种不同的晶体，其中之一是令人惊讶的双金刚石结构。

 

Sinno说：“通常当出现意想不到的事情时，它将打开一扇新技术方法的大门，这将可能出现新的物理学，而不是满是灰尘的教科书物理学。”

 

现在，他们已经清除了创建PBM路径上的重大障碍，研究人员需要找出如何去掉高折射率颗粒材料的方法，选择性地分解一种材料，从而留下一个自组装的胶体微球的金刚石晶格 。

 

如果可以成功地制造出PBM，这种材料将会像一种“光半导体”，具有自然界材料不具备的与众不同的光学性能。正常的透明材料的折射率在1.3~2.5之间。这些PBMs可能会具有极高的折射率，或者甚至是向后折射光的负折射率。

 

这样的材料可以用于制造具有更好性能的透镜，照相机和显微镜，或者甚至可能制造“隐形斗篷”，它是一种重新定向中心室周围所有光线的固体，从而使物体隐形。尽管研究者们一直能重现这个实验超过十几次，但是Sinno 和Jenkins却一直不能重现模拟中的发现。这是Wang制造出的11种晶体中的唯一的结构，它们一直不能在模拟中被复制。

 

Sinno说：“这是到目前为止我们发现的一种结构，我们不能解释这些可能和无人预测你能用这个系统形成它的事实无关的东西。过去我们有很多其他文章，真正展示了用我们的方法解释一切问题是多么的强大。在某种程度上，事实上没有一项研究可以增加产生了根本不同东西的证据。”

 

研究人员目前认为，一个不同的未知晶体生长，然后转变成双金刚石晶体，但这个想法已经被证明很难确认。

 

Crocker说：“当你理解某事时，你习惯写文章，所以我们有一个困境。通常，当我们发现一些东西，我们反复咀嚼，做模拟实验，然后当它所有的东西都有道理时，我们才会写它。在这种情况下，我们必须三重检查一切，然后做一个判断说，这是一个令人兴奋的发现，从而超越我们的其他人也可以从事这项研究，思考，并帮助我试图解决这个难题。”

 

原文链接：Engineers Overcome a Hurdle in Growing a Revolutionary Optical Metamaterial.

 

文献链接：Colloidal crystals with diamond symmetry at optical lengthscales.

 

本文由材料人编辑部丁菲菲提供素材，樊超编译，点我加入编辑部。

 

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