Investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado una película dieléctrica que tiene propiedades ópticas y eléctricas similares al aire, pero es lo suficientemente fuerte como para incorporarse en dispositivos electrónicos y fotónicos, lo que los hace más eficientes y más estables mecánicamente.

Lo que está en juego es algo llamado índice de refracción, que mide cuánta luz se dobla cuando se mueve a través de una sustancia. Aire, por ejemplo, tiene un índice de refracción de 1, mientras que el agua tiene un índice de refracción de 1,33, razón por la cual una pajita parece doblarse cuando la pones en un vaso de agua.

Los dispositivos fotónicos requieren un alto contraste entre los materiales que lo componen, con algunos componentes que tienen un índice de refracción alto y otros tienen uno bajo. Cuanto mayor sea el contraste entre esos materiales, cuanto más eficiente sea el dispositivo fotónico y mejor funcionará. El aire tiene el índice de refracción más bajo, pero no es mecánicamente estable. Y el índice de refracción más bajo encontrado en sólidos, materiales naturales es 1,39.

Pero ahora los investigadores han desarrollado una película hecha de óxido de aluminio que tiene un índice de refracción tan bajo como 1.025 pero que es mecánicamente rígida.

"Al manipular la estructura del óxido de aluminio, que es dieléctrico, hemos mejorado sus propiedades ópticas y mecánicas, "dice Chih-Hao Chang, autor correspondiente de un artículo sobre el trabajo y profesor asistente de ingeniería mecánica y aeroespacial en NC State. Los dieléctricos son materiales aislantes que se utilizan en una enorme variedad de productos de consumo. Por ejemplo, cada dispositivo de mano tiene cientos de condensadores, que son componentes dieléctricos que pueden almacenar y gestionar la carga eléctrica.

"La clave del rendimiento de la película es el espaciado muy ordenado de los poros, lo que le da una estructura más robusta mecánicamente sin perjudicar el índice de refracción, "dice Xu Zhang, autor principal del artículo y Ph.D. estudiante en NC State.

Los investigadores hacen la película utilizando primero una nanolitografía desarrollada en el laboratorio de Chang para crear poros muy ordenados en un sustrato de polímero. Ese polímero poroso luego sirve como plantilla, que los investigadores recubren con una fina capa de óxido de aluminio mediante la deposición de capas atómicas. Luego, el polímero se quema, dejando tras de sí una capa de óxido de aluminio tridimensional.

"Podemos controlar el espesor del óxido de aluminio, creando una capa de entre dos nanómetros y 20 nanómetros de espesor, "Dice Zhang." Usando óxido de zinc en el mismo proceso, podemos crear una capa más gruesa. Y el grosor del recubrimiento controla y nos permite diseñar el índice de refracción de la película ". Independientemente del grosor del recubrimiento, la película en sí tiene aproximadamente un micrómetro de espesor.

"Los pasos del proceso son potencialmente escalables, y son compatibles con los procesos de fabricación de chips existentes, ", Dice Chang." Nuestros próximos pasos incluyen la integración de estos materiales en dispositivos ópticos y electrónicos funcionales ".