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los investigadores desarrollan dispositivos fotónicos flexibles y elásticos

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los investigadores desarrollan dispositivos fotónicos flexibles y elásticos

2016-11-24

un nuevo material producido por juejun hu y su equipo se puede estirar repetidamente sin perder sus propiedades ópticas. crédito: instituto de tecnología de massachusetts


Los investigadores de mit y otras instituciones han desarrollado un método para fabricar dispositivos fotónicos, similares a los dispositivos electrónicos pero basados ​​en luz en lugar de electricidad, que pueden doblarse y estirarse sin daños. los dispositivos podrían encontrar usos en los cables para conectar dispositivos informáticos, o en sistemas de diagnóstico y monitoreo que podrían unirse a la piel o implantarse en el cuerpo, flexionándose fácilmente con el tejido natural.


los hallazgos, que implican el uso de un tipo especial de vidrio llamado calcogenuro, se describen en dos documentos del profesor asociado juejun hu y más de una docena más en mit, la universidad de florida central y universidades en china y francia. el documento está programado para su publicación próximamente a la luz: ciencia y aplicaciones.


hu, quien es el merton c. flamenco profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales, dice que muchas personas están interesadas en la posibilidad de tecnologías ópticas que se puedan estirar y doblar, especialmente para aplicaciones tales como dispositivos de monitoreo montados en la piel que podrían detectar directamente las señales ópticas. tales dispositivos podrían, por ejemplo, detectar simultáneamente la frecuencia cardíaca, los niveles de oxígeno en la sangre e incluso la presión sanguínea.


Los dispositivos fotónicos procesan haces de luz directamente, usando sistemas de leds, lentes y espejos fabricados con los mismos tipos de procesos utilizados para fabricar microchips electrónicos. usar haces de luz en lugar de un flujo de electrones puede tener ventajas para muchas aplicaciones; si los datos originales están basados ​​en luz, por ejemplo, el procesamiento óptico evita la necesidad de un proceso de conversión.


pero la mayoría de los dispositivos fotónicos actuales están fabricados de materiales rígidos sobre sustratos rígidos, dice Hu, y tienen un \"desajuste inherente\" para aplicaciones que \"deberían ser suaves como la piel humana\", pero la mayoría de los materiales blandos, incluyendo la mayoría de polímeros, tienen un refractante bajo índice, que conduce a una capacidad pobre de confinar un haz de luz.


en lugar de utilizar materiales tan flexibles, hu y su equipo adoptaron un enfoque novedoso: formaron el material rígido, en este caso una capa delgada de un tipo de vidrio llamado calcogenuro, en una espiral similar a un resorte. del mismo modo que se puede hacer que el acero se estire y doble cuando se forma en un resorte, la arquitectura de esta bobina de vidrio le permite estirarse y doblarse libremente mientras mantiene sus deseables propiedades ópticas.


una vista de la configuración del laboratorio que se usó para probar los nuevos materiales, demostrando que podían estirarse y flexionarse sin perder la capacidad de confinar haces de luz y llevar a cabo el procesamiento fotónico. crédito: instituto de tecnología de massachusetts


\"Terminas con algo tan flexible como el caucho, que se puede doblar y estirar, y aún tiene un alto índice de refracción y es muy transparente\", dice Hu. las pruebas han demostrado que tales configuraciones tipo resorte, hechas directamente sobre un sustrato de polímero, pueden someterse a miles de ciclos de estiramiento sin degradación detectable en su rendimiento óptico. el equipo produjo una variedad de componentes fotónicos, interconectados por guías de onda flexibles y en forma de resorte, todo en una matriz de resina epoxi, que se hizo más rígida cerca de los componentes ópticos y más flexible alrededor de las guías de onda.


se han realizado otros tipos de fotones estirables mediante la incorporación de nanorods de un material más rígido en una base de polímero, pero esos requieren pasos de fabricación adicionales y no son compatibles con los sistemas fotónicos existentes, dice Hu.


tales circuitos fotónicos flexibles y elásticos también podrían ser útiles para aplicaciones en las que los dispositivos necesitan ajustarse a las superficies irregulares de algún otro material, como en los extensómetros. La tecnología óptica es muy sensible a la tensión, según Hu, y podría detectar deformaciones de menos de una centésima de 1 por ciento.


esta investigación todavía está en etapas tempranas; El equipo de Hu solo ha demostrado dispositivos individuales a la vez hasta el momento. \"Para que sea útil, tenemos que demostrar todos los componentes integrados en un solo dispositivo\", dice. se está trabajando para desarrollar la tecnología hasta ese punto, de modo que se pueda aplicar comercialmente, lo que, según Hu, podría llevar otros dos o tres años.


en otro artículo publicado la semana pasada en Nature Photonics, Hu y sus colaboradores también han desarrollado una nueva forma de integrar capas de fotónica, hechas de vidrio calcógeno y materiales bidimensionales como el grafeno, con circuitos fotónicos de semiconductores convencionales. Los métodos existentes para integrar tales materiales requieren que sean hechos en una superficie y luego pelados y transferidos a la oblea semiconductora, lo que agrega una complejidad significativa al proceso. en cambio, el nuevo proceso permite que las capas se fabriquen directamente en la superficie del semiconductor, a temperatura ambiente, lo que permite una fabricación simplificada y una alineación más precisa.


el proceso también puede utilizar el material de calcogenuro como una \"capa de pasivación\" para proteger los materiales bidimensionales de la degradación causada por la humedad ambiente y como una forma de controlar las características optoelectrónicas de los materiales bidimensionales. el método es genérico y podría extenderse a otros materiales emergentes en 2-d además del grafeno, para expandir y acelerar su integración con los circuitos fotónicos, dice Hu.


fuente: phys


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