杜克大学的电子工程师们发现，改变一类常用于电子学和近红外和中红外光子学的材料的物理形状--硫族化物玻璃--可以将它们的用途扩展到电磁波谱的可见光和紫外线部分，这种玻璃已经在探测器、镜头和光纤中得到商业化应用，而现在可能在水下通信、环境监测和生物成像等应用中找到归宿。



这些结果发表在《自然通讯》杂志上。


顾名思义，硫族化物玻璃含有一种或多种硫族元素--诸如硫、硒和碲等化学元素。但是这个家族中有一个成员被他们遗漏了：氧气。它们的材料特性使它们成为先进电子应用的有力选择，如光学开关、超小的直接激光写入（想想微小的可重写光盘）和分子指纹识别。但是，由于它们强烈吸收电磁波谱中的可见光和紫外线部分的光的波长，长期以来，在光子学的应用方面，卤化物玻璃一直被限制在近红外和中红外。


杜克大学电气和计算机工程系教授Natalia Litchinitser说："近红外和中红外已经使用了很长时间，但它们一直有一个基本的限制，即在可见光和紫外光波长下是有损耗的。"但最近对纳米结构如何影响这些材料对光的反应方式的研究表明，可能有一种方法可以绕过这些限制。


在最近对砷化镓（GaAs）--一种常用于电子领域的半导体--的理论研究中，Litchinitser的合作者，美国陆军CCDC航空和导弹中心的Michael Scalora和布雷西亚大学的Maria Vincenti预测，纳米结构的砷化镓对光的反应可能与它的块状甚至薄膜的对应物不同。由于高强度的光脉冲与纳米结构材料相互作用的方式，非常薄的材料线彼此相邻排列，可能会产生更高阶的谐波频率（更短的波长），以至于可以穿过它们。


想象一下，一根被调谐到256赫兹的吉他弦--也就是所谓的中央C调。研究人员提出，如果制作得恰到好处，这根弦在被拨动时也可能以高出一个或两个八度的频率进行少量振动。


Litchinitser和她的博士生Jiannan Gao决定看看这种情况是否同样适用于致癌物玻璃。为了测试这一理论，海军研究实验室的同事们将一层300纳米厚的三硫化砷薄膜沉积在玻璃基板上，然后用电子束光刻和活性离子蚀刻技术对其进行纳米化处理，以产生宽430纳米、间距625纳米的三硫化砷纳米线。


尽管三硫化砷完全吸收了600太赫兹以上的光--大致是青色--研究人员发现他们的纳米线在846太赫兹时传输微小的信号，这正好是在紫外线光谱中。


用近红外光照亮一个由精心设计的纳米线组成的元表面，可以让原始频率及其三次谐波的产生和传输，这是非常出乎意料的，因为三次谐波落入材料应该吸收的范围。


这种反直觉的结果是由于非线性三次谐波的产生及其与原始频率的"相位锁定"的影响。Litchinitser说："最初的脉冲捕获了三次谐波，并在某种程度上欺骗了材料，让它们同时通过而没有任何吸收。"


展望未来，Litchinitser和她的同事们正在努力研究他们是否能够设计出不同形状的黄铜化物，使其能够比最初的纳米带更好地携带这些谐波信号。例如，他们认为，一对长的、薄的、类似乐高的积木，间隔一定的距离，可能会在第三和第二谐波频率上产生更强的信号。他们还预测，将这些元表面的多层堆叠在一起可能会增强效果。


如果成功的话，这种方法可以为流行的电子材料和中红外光子开启一个广泛的可见光和紫外线应用。