美國萊斯大學開發4.37高折射率黃鐵礦材料光學薄膜

美國萊斯大學的工程師正在努力提高虛擬現實、3D顯示和光學技術的屏幕性能。他們的目標之一是打破長期以來的光學困擾：材料的光學吸收和折射光之間的權衡。

據報道，電氣和計算機工程副教授古魯拉·奈克（Gururaj Naik），以及出自應用物理研究生項目的克洛伊·多伊隆（Chloe Doiron）發現，黃鐵礦可以為可穿戴設備提供更好、更薄的顯示器。同時，他們開發了一種用于識別高折射率電介質的公式。

高折射率電介質實現了光學組件的納米級集成，幾乎沒有吸收損耗。所以，高折射率電介質在納米光子學中存在眾多的新興應用前景。然而，缺乏完整的高折射率介電材料庫對理解介電納米光子學的全部潛力構成了重大挑戰。

目前，半導體的吸收率和折射率表現出剛性權衡，亦即所謂的Moss Rule。因此，Moss Rule似乎設定了給定工作波長下電介質折射率的上限。然而，自然存在一系列超過Moss Rule的電介質材料，亦即super-Mossian電介質。

古魯拉·奈克和克洛伊·多伊隆等人探討了super-Mossian電介質的一般特征及其物理起源，以便于尋找高折射率電介質。作為一個例子，黃鐵礦是一種出色的super-Mossian材料，其指數比Moss Rule預測高出近40%。

他們在實驗中觀察了黃鐵礦納米諧振器中的局部介電共振，并證明了super-Mossian材料對納米光子學的影響。

他們已經把研究發表在《Advanced Optical Materials》。其中，他們認為黃鐵礦可以為可穿戴設備提供更好、更薄的顯示器。

值得注意的是，他們已經建立了一種方法來尋找超越Moss Rule的材料，并為顯示器和傳感應用提供有用的光處理性能。奈克表示：“在光學領域，我們依然局限于極少數材料。但自然存在非常多未知的材料，只是我們尚沒有找到任何關于如何找到它們的洞察。”

例如，硅的折射率約為3.4，但我們開始思考是否可以超越這一限制，將指數提高到5或10。這促使他們尋找其他光學選項。為此，他們開發了一種公式來識別super-Mossian電介質。

研究人員將他們的理論應用到1056種化合物的數據庫中，并開始搜索折射率最高的化合物，然后確定了黃鐵礦實驗。與黃鐵礦一起的三種化合物確定為super-Mossian候選物，但黃鐵礦的低成本，以及在光伏和催化應用中的長期使用使其成為實驗的最佳選擇。

因此，團隊制作了光學級黃鐵礦薄膜。在實驗中，所述材料的顯示折射率達到4.37。

然而，黃鐵礦只是一個開始，團隊計劃繼續尋找高性能的材料。電氣和計算機工程副教授古魯拉·奈克評論道：“這太棒了。但是，我們或許可以，而且很可能會找到更好的材料。有非常多的候選材料，其中一些甚至還沒有制作出來。”