Crédit :Université des sciences et technologies de Pohang (POSTECH)
Une équipe de recherche POSTECH a développé un silicium amorphe transparent qui transmet la lumière visible, ce qui nous permet de distinguer les couleurs des objets, permettant le développement de lentilles minces comme du papier utilisables dans les visiocasques (HMD) qui montrent des images de réalité virtuelle et augmentée dans temps réel.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Junsuk Rho des départements de génie mécanique et de génie chimique de POSTECH, et Ph.D. le candidat Younghwan Yang et le Dr Gwanho Yoon du Département de génie mécanique ont développé du silicium amorphe visiblement transparent en améliorant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), une pratique largement utilisée par les fabricants d'écrans coréens. Les chercheurs ont également réussi à contrôler efficacement la lumière dans la région visible en utilisant le silicium nouvellement développé. Cette recherche a été publiée récemment dans Matériaux avancés, la revue internationale la plus respectée sur la science des matériaux.
Étant donné que la lumière se plie davantage avec un indice de réfraction plus élevé, un matériau à indice de réfraction élevé est essentiel dans la conception de dispositifs de réalité virtuelle et augmentée. Cependant, la plupart des matériaux hautement réfractifs ont tendance à absorber la lumière et lorsqu'ils sont utilisés dans un appareil qui produit une image en contrôlant la lumière, comme une lentille ultra-mince ou un hologramme, leurs performances se détériorent. Les matériaux optiques présentés jusqu'à présent ont une transmittance élevée avec un faible indice de réfraction, ou, inversement, indice de réfraction élevé et faible transmittance, limitant ainsi la production de dispositifs optiques légers et très efficaces.
Démonstration d'une plateforme de métasurface de silicium à faibles pertes. a) La configuration des cellules unitaires de piliers rectangulaires composés de silicium amorphe hydrogéné (a?Si:H) sur un substrat de verre. L'efficacité de conversion peut être définie par le rapport d'intensité de la lumière polarisée circulairement vers la droite (RCP) transmise à la lumière polarisée circulairement vers la gauche (LCP) incidente. η se calcule en faisant varier la période p, hauteur h, longueur l, et largeur w. b) La variation maximale de selon le TP. Les rectangles bleus, cercles verts, et les triangles rouges représentent les données mesurées aux longueurs d'onde de 450, 532, et 635 nm, respectivement. c) Le calculé des structures géométriques optimisées avec a?Si:H déposé à TP =200 °C, PC = 25 mTorr, WRF = 800 W, et =7,5. Le bleu, vert, et les cercles rouges se rapportent au optimisé aux longueurs d'onde de 450, 532, et 635 nm, respectivement. d) La relation entre la valeur du coefficient d'extinction (k) et le maximum η. Les rectangles noirs sont le maximum calculé à k mesuré aux longueurs d'onde de 450, 532, et 635 nm avec diverses conditions de dépôt. La ligne continue montre une courbe d'ajustement avec (k2 + Ak + B)-1, où A = 7,04, et B = ?8,49 avec la qualité d'ajustement de R2 =0,92. e) Schéma de la métasurface géométrique. Sous une incidence LCP normale, la direction de propagation de la lumière RCP transmise s'écarte d'un angle de déviation θ de la direction normale. f) Images SEM des métasurfaces fabriquées optimisées pour :i) λ =450 nm, ii) λ =532 nm, et iii) =635 nm. g) Les images SEM obliques montrent les défauts dans les étapes de fabrication pour les métasurfaces optimisées pour i) λ =450 nm, ii) λ =532 nm, et iii) λ =635 nm. h) Images capturées de la lumière transmise sur l'écran avec différentes longueurs d'onde incidentes . Les points lumineux au centre et à droite sont le faisceau d'ordre zéro et le faisceau de polarisation croisée transmis, respectivement. Les taches sombres sur le côté gauche sont dues à l'état de polarisation circulaire imparfait. i) =450 nm, ii) λ =532 nm, et iii) =635 nm. Crédit :Junsuk Rho (POSTECH), Wiley
Pour ça, l'équipe de recherche a utilisé la méthode PECVD, une technique courante pour développer le silicium amorphe. Lors du dépôt du silicium par la méthode PECVD, l'équipe a exploré chaque paramètre du processus, comme la température, pression, puissance plasma, et le rapport d'hydrogène, et découvert l'effet de chaque variable sur les liaisons intermoléculaires.
De plus, l'équipe a découvert une méthode pour augmenter la régularité entre les atomes de silicium en insérant des atomes d'hydrogène entre des liaisons atomiques de silicium tendues, et à travers cela, la structure atomique du silicium amorphe qui possède un indice de réfraction élevé et une transmittance significative a été identifiée. En outre, les chercheurs ont réussi à piloter le rouge, vert, et des lumières bleues dans la direction souhaitée, qui ne pouvait pas être contrôlé avec le silicium conventionnel auparavant.
Le silicium amorphe transparent a l'avantage de produire des dispositifs d'hologramme ou des lentilles ultra-minces qui sont un millième de l'épaisseur des lentilles conventionnelles à une fraction du coût. L'applicabilité du silicium a également été étendue en ce que le silicium amorphe, qui a été utilisé uniquement dans les caméras infrarouges thermiques, peut maintenant être utilisé comme dispositif optique dans la région de la lumière visible.
"La découverte d'un élément optique capable de contrôler toute la lumière visible a révélé des indices sur la relation entre la structure de liaison atomique et la région de la lumière visible, qui ne m'intéressait pas jusqu'à présent, " a expliqué le professeur Junsuk Rho, l'auteur correspondant qui a dirigé l'étude. "Comme nous pouvons produire des dispositifs optiques qui peuvent contrôler toutes les couleurs à faible coût, nous sommes maintenant un pas de plus vers la commercialisation des technologies de réalité virtuelle et augmentée et d'hologrammes que l'on ne voit que dans les films."
