Application mobile: métamatériaux dévoile un éventail croissant d’applications optiques | Caractéristiques | janv. 2022

MARIE FREEBODY, RÉDACTRICE CONTRIBUANTE

Préparez-vous à ce que les pénètrent dans nos poches, nos cuisines, nos voitures et nos bureaux au cours des trois à cinq prochaines années. C’est ce que prédisent les experts du domaine. Grâce à la maturation rapide de la technologie et à la baisse des coûts de production, les portes s’ouvrent à de nouveaux marchés lucratifs pour les matériaux.

Les exploitent des compositions chimiques ou des de surface qui sont plus petites que certaines longueurs d’onde de la lumière pour leur permettre d’interagir avec les photons de manière utile. Des optiques antireflet résistantes aux dommages aux lentilles plates accordables, les métamatériaux ont déjà fait des percées commerciales. Maintenant, ils trouvent un emploi dans les smartphones, les appareils photo, les voitures et les consoles de jeux. Et l’application grand public la plus immédiate semble être la détection de profondeur dans les appareils mobiles, les voitures sans conducteur et les casques de réalité augmentée et virtuelle.

Des optiques antireflet résistantes aux dommages aux lentilles plates réglables, les métamatériaux promettent des systèmes optiques plus polyvalents et compacts pour les smartphones, les caméras, les systèmes de sécurité automobile et les consoles de jeu, ainsi que des casques de réalité augmentée plus élégants. Avec l'aimable autorisation de Corning.


Des optiques antireflet résistantes aux dommages aux lentilles plates réglables, les métamatériaux promettent des systèmes optiques plus polyvalents et compacts pour les smartphones, les caméras, les systèmes de sécurité automobile et les consoles de jeu, ainsi que des casques de réalité augmentée plus élégants. Avec l’aimable autorisation de Corning.


La science des métamatériaux opère à l’intersection de l’informatique des matériaux, de l’ingénierie, de la science des matériaux et de la physique. Bien que les métamatériaux ciblant les hyperfréquences aient été exploités avec succès pour la technologie sans fil depuis plus d’une décennie, l’arène optique s’avère plus problématique, mais potentiellement plus lucrative pour ceux qui peuvent relever les premiers défis de la technologie.

L’un des défis de la transformation d’un matériau optique en métamatériau consiste à modeler de manière complexe sa surface avec des nanostructures, qui manipulent ensuite localement la propagation de la lumière. La structuration à l’échelle nanométrique à grande échelle ne semble possible que maintenant.

Les ont jusqu’à présent été largement freinés par le manque d’infrastructures de production et une pénurie de concepteurs d’appareils familiarisés avec la technologie. Mais un nombre croissant de startups et de grandes entreprises s’intéressent à l’utilisation de la modélisation numérique pour une conception de produits plus rapide.

Les métamatériaux permettent aux composants optiques plats de conférer à la fois des fonctions de type diffractif et réfractif dans une seule couche. Cette double fonctionnalité peut réduire le nombre de composants dans un projecteur à motif de points - un module complexe qui structure la lumière pour la reconnaissance faciale dans les téléphones portables - permettant ainsi de rendre les projecteurs plus compacts. Avec l'aimable autorisation de Metalenz.


Les métamatériaux permettent aux composants optiques plats de conférer à la fois des fonctions de type diffractif et réfractif dans une seule couche. Cette double fonctionnalité peut réduire le nombre de composants dans un projecteur à motif de points – un module complexe qui structure la lumière pour la reconnaissance faciale dans les téléphones portables – permettant ainsi de rendre les projecteurs plus compacts. Avec l’aimable autorisation de Metalenz.


Les métamatériaux manipulent déjà la lumière avec un meilleur contrôle que le conventionnel
optique. Ce contrôle se manifeste par des « raccourcis » qui permettent aux éléments optiques d’obtenir des performances équivalentes ou supérieures. Les métamatériaux introduisent également des fonctionnalités impossibles à atteindre avec des optiques conventionnelles. Ils peuvent, par exemple, aider à défier les limites de diffraction, capturer
les ondes évanescentes, rompent la réciprocité ou combinent plusieurs fonctions – telles que le chauffage et le filtrage optique – au sein d’un seul empilement de matériaux ultrafins. En exploitant les techniques de production existantes, les métamatériaux ont préparé le terrain pour étendre davantage les libertés de conception optique et permettre la fabrication de composants optiques plus minces, plus légers, moins coûteux et plus durables qui sont mûrs pour la commercialisation.

Selon un rapport de Lux Research, le déploiement commercial initial de devrait atteindre 50 milliards de dollars d’ici 20301. Les perspectives d’avenir sensationnelles de la technologie, telles que les capes d’invisibilité, ont d’abord attiré l’attention des médias grand public. Mais en réalité, les premiers produits à base de sont déjà entrés sur le marché des verres. Au cours des trois à cinq prochaines années, les secteurs les plus précieux devraient être les caméras pour téléphones portables et les verres correcteurs, ainsi que les attentes d’améliorations des lasers, des cellules solaires, des systèmes lidar et des voitures sans conducteur.

Des goulots d’étranglement subsistent cependant. Actuellement, seule une poignée de développeurs dirigent cette technologie, et comme les meilleurs diplômés en ingénierie dans le domaine sont recrutés par l’industrie de l’aérospatiale et de la défense, le potentiel de la technologie au-delà de ces secteurs est limité.

De plus, bien que les coûts de production des métamatériaux baissent rapidement, le prix de nombreuses techniques de fabrication reste prohibitif et elles ont eu du mal à se développer suffisamment pour les industries à grand volume telles que l’automobile, l’électronique grand public et l’énergie. Afin de relever ces défis, des entreprises innovantes
Les spécialistes de la photonique s’associent à de plus grandes entreprises pour exploiter leur expertise de fabrication ainsi que leurs fonderies. En conséquence, la commercialisation pourrait bientôt devenir une réalité.

La voie de la commercialisation

Les startups joueront probablement un rôle vital dans ce processus si la révolution du silicium est un modèle précis. L’industrie des circuits intégrés (CI) a divisé le développement des puces entre des sociétés sans usine spécialisées dans la conception de circuits intégrés et les fonderies qui les ont fabriqués. Le même modèle industriel pourrait être appliqué aux métamatériaux photoniques.

Les métamatériaux offrent la polyvalence nécessaire pour améliorer la collecte de la lumière dans les systèmes de détection 3D tout en réduisant le nombre total de composants optiques. Ces caractéristiques suscitent l'intérêt de l'industrie de l'électronique grand public. Par exemple, les smartphones peuvent tirer parti de la technologie pour intégrer des systèmes de reconnaissance faciale plus compacts. Avec l'aimable autorisation de Corning.


Les métamatériaux offrent la polyvalence nécessaire pour améliorer
collecte de lumière dans les systèmes de détection 3D tout en réduisant le nombre total de capteurs optiques
Composants. Ces suscitent l’intérêt de l’industrie de l’électronique grand public. Pour
Par exemple, les smartphones peuvent tirer parti de la technologie pour intégrer des systèmes de reconnaissance faciale plus compacts. Avec l’aimable autorisation de Corning.


Edgehog Advanced Technologies a réussi à éliminer la réflexion des surfaces de verre optique à tous les angles de vision, sans utiliser de revêtements. La technologie qu'elle a développée, illustrée par ces substrats de verre, exploite les métamatériaux et présente des avantages potentiels pour les caméras et les écrans grand angle, ainsi que les panneaux solaires. Avec l'aimable autorisation d'Edgehog.


Edgehog Advanced Technologies a réussi à éliminer la réflexion des surfaces de verre optique à tous les angles de vision,
sans l’utilisation de revêtements. La technologie qu’elle a développée, illustrée par ces substrats de verre, exploite les métamatériaux et présente des avantages potentiels pour les caméras et les écrans grand angle, ainsi que les panneaux solaires. Avec l’aimable autorisation d’Edgehog.


Boskovic pense que les métamatériaux changeront la donne dans le domaine de
optique. Les startups et les grandes entreprises, dont Corning, joueront un rôle clé dans cette transformation en innovant dans de nouvelles conceptions, matériaux et procédés de métasurface.

Les surfaces des métamatériaux, c’est-à-dire les métasurfaces, présentent des topographies de haute précision qui nécessitent généralement des processus et des équipements de fabrication spécialisés, tels que ceux utilisés pour fabriquer des circuits intégrés. En l’absence d’usines de verre dédiées à l’existence aujourd’hui, les concepteurs de métamatériaux sont obligés de se tourner vers des usines de semi-conducteurs conçues pour fonctionner avec des substrats de silicium.

Pour exploiter les capacités d’une usine de circuits intégrés, les développeurs de métamatériaux doivent s’assurer que leur matériau optique se comporte comme une plaquette de silicium. Corning conçoit actuellement des matériaux et des plaquettes de verre spéciaux qui, espère-t-il, fonctionneront de manière transparente dans une usine de silicium typique. Cela permettra à l’usine de fabriquer des produits de métasurface sur du verre en cas de besoin, a déclaré Xavier Lafosse, directeur de la technologie commerciale d’Advanced Optics chez Corning Inc.

« Le verre a des propriétés optiques, électriques, chimiques et mécaniques très différentes de celles du silicium », a-t-il déclaré. « Par conséquent, le principal défi consiste à faire en sorte que le verre se comporte de la même manière que le silicium en utilisant l’infrastructure de processus et d’équipement existante. Corning travaille dans ce domaine depuis quelques années avec des usines et des fonderies établies, et nous avons fait des progrès significatifs. Nous engageons actuellement des clients et serons prêts à augmenter le volume de production lorsque la communauté des métamatériaux aura besoin de telles plaquettes de verre. »

Le mariage des fonderies de silicium avec la production de métamatériaux pourrait être un coup de génie – s’il peut être perfectionné.
L’exploitation de techniques de fabrication descendantes établies, telles que la nanoimpression ou le nanomasquage, donnera aux fabricants la possibilité de modeler un substrat avec des nanostructures conçues sur une variété de matériaux optiques avec presque n’importe quelle forme géométrique. Surtout, ces métamatériaux pourraient être produits dans des volumes hautement évolutifs.

Métasurfaces : premières sur le marché

L’entreprise dérivée de Harvard, Metalenz, l’un des premiers développeurs de , pense avoir franchi ces obstacles à la commercialisation. La société a récemment levé 10 millions de dollars auprès de fabricants de semi-conducteurs, dont Intel Capital, 3M, TDK Ventures et Applied Ventures, pour aider à embaucher des personnes clés et augmenter la production de son nouvel objectif, qui devrait arriver sur le marché en 2022. sur les marchés de l’électronique grand public et des smartphones, Metalenz a basé la lentille sur un seul composant métaoptique plat qui confère à la fois des fonctions de type diffractif et réfractif en une seule couche. Cette double fonctionnalité peut réduire le nombre de composants dans un projecteur de motif de points, qui est un module complexe qui structure la lumière pour la reconnaissance faciale dans les téléphones portables. Avoir moins de composants se traduit par un encombrement réduit. De plus, pour l’imagerie dans un système de détection 3D, la lentille améliore la collecte de la lumière tout en remplaçant jusqu’à quatre composants optiques par un composant en métamatériau.

« Par rapport aux métamatériaux 3D, la technologie des métasurfaces
que nous produisons chez Metalenz ne repose pas sur des motifs 3D complexes ou sur la propagation de la lumière à travers un matériau avec perte », a déclaré Robert Devlin, co-fondateur et PDG de la société. « En concevant localement uniquement les dimensions dans le plan des structures de sous-longueur d’onde, nous pouvons produire des éléments optiques multifonctionnels qui réduisent considérablement la complexité des modules optiques. »

Metalenz et ses partenaires font actuellement passer la technologie à la production de masse dans le but de mettre les premiers produits de l’entreprise sur le marché. Cela a été largement permis en utilisant des procédés de fabrication de photolithographie et CMOS standard.

« Avec nos partenaires de fonderie, cela nous permet de produire des millions d’optiques de métasurface en une seule journée », a déclaré Devlin. « La précision scientifique et la personnalisation que nous proposons contribueront à façonner l’avenir des soins de santé, de la vision par ordinateur, des voitures autonomes et du travail sans bureau. »

En ce qui concerne les applications électroniques grand public, Devlin espère que la technologie de son entreprise sera utilisée dans les modules de détection 3D pour téléphones et ordinateurs portables. « Ce que notre technologie fournira par rapport à la technologie existante est une caméra de détection 3D plus petite et plus simple qui vous permettra de
voir plus loin et économiser la batterie », a-t-il
mentionné.

Les revêtements antireflet sont souvent
appliqué aux systèmes optiques pour optimiser leurs performances dans des applications telles que les panneaux solaires, les écrans, les lentilles et les systèmes de détection. Dans les caméras automobiles, par exemple, les reflets et les reflets peuvent interférer avec la reconnaissance des images lorsque le soleil est à des angles faibles.

Fondée en 2018, la société montréalaise Edgehog Advanced Technologies a réussi à éliminer la réflexion de
surfaces de verre optique à tous les angles de vue, sans l’utilisation de revêtements. Au lieu de cela, il a développé un substrat de verre avec une surface antireflet nanotexturée. La technologie présente des avantages potentiels pour les caméras et les écrans grand angle, ainsi que pour les panneaux solaires.

La société a fait de l’évolutivité de la fabrication une priorité dès le début, a déclaré Nasim Sahraei, fondateur et vice-président du développement de produits d’Edgehog. « Nous avons utilisé, essayé et testé des équipements de fabrication utilisés dans l’industrie de la fabrication de semi-conducteurs et d’écrans plats pour effectuer les premières preuves de concepts », a-t-elle déclaré. L’entreprise espère augmenter sa production dans l’année.

« La fabrication de notre produit comporte deux étapes critiques, toutes deux modulées en termes de dimension du verre et de volume de production dans l’industrie de la fabrication d’écrans plats », a déclaré Sahraei. «Avec l’aide de nos conseillers de l’industrie, nous avons modélisé le coût de fabrication de gros volumes et montré que le coût de nos produits est très compétitif par rapport aux alternatives existantes.»

Les métamatériaux optiques s'appliquent à plus que des éléments optiques. L'évolutivité à haut volume de la technologie et sa capacité à contrôler la lumière de manière unique sur des substrats très minces offrent de nouvelles options pour améliorer la sécurité et l'authenticité des billets de banque. Avec l'aimable autorisation de Meta Materials.


Les s’appliquent à plus de
éléments optiques. L’évolutivité à haut volume de la technologie et sa capacité à contrôler la lumière de manière unique sur des substrats très minces offrent de nouvelles options pour améliorer la sécurité et l’authenticité des billets de banque. Avec l’aimable autorisation de Meta Materials.


Étant donné que les métamatériaux peuvent coder une plus grande fonctionnalité dans des composants plus petits, plus légers et moins coûteux, le fruit le plus bas est susceptible d’être dans les domaines technologiques où les performances, le poids et la taille sont les plus importants. George Palikaras, président, PDG et fondateur de Meta Materials Inc., s’attend à ce que davantage de composants métamatériaux remplacent l’optique conventionnelle, en particulier dans les domaines où des systèmes optiques complexes et volumineux sont nécessaires.

« Il est clair maintenant que les applications clés utiliseront des métamatériaux dans un film ou [in] facteurs de forme de surface par opposition aux métamatériaux en vrac, exécutant des fonctions telles que la manipulation optique complexe, comme dans les systèmes AR et VR, la biodétection, la gestion thermique dans les systèmes spatiaux et l’authentification », a-t-il déclaré.

Mais les métasurfaces peuvent aussi être des produits utiles à part entière. Meta Materials a récemment acquis Nanotech Security Corp., ce qui lui permet d’introduire la fabrication lithographique par nanoimpression à grand volume pour améliorer la sécurité des billets de banque. L’entreprise est désormais capable d’imprimer des métastructures plasmoniques avec des détails de sécurité inférieurs à
10 nm sur des substrats à une vitesse d’environ 50 à 150 m par minute.

Contraintes futures

Étant donné que les métamatériaux permettent déjà aux entreprises de tester de nouveaux concepts optiques à des vitesses et à des prix inimaginables il y a dix ans, les trois à cinq prochaines années seront certainement intéressantes.

L’adoption précoce des métamatériaux dépendra de la facilité avec laquelle les conceptions et les applications peuvent être fabriquées à grande échelle,
leur permettant d’être fournis en volume et à moindre coût. Mais il y a d’autres facteurs limitants qui doivent être surmontés.

L’une de ces contraintes est le manque d’intégration entre les universitaires et les utilisateurs finaux. Jusqu’à présent, une grande partie du battage médiatique autour des métamatériaux s’est concentré sur les ou sur la nouvelle physique d’un métamatériau plutôt que sur la communication claire de la manière dont ces profitent à l’utilisateur final.

Cela s’applique dans certaines industries plus que d’autres. L’industrie de l’aérospatiale et de la défense, par exemple, a un
compréhension des
et leurs applications potentielles. En conséquence, l’industrie, comme mentionné précédemment, a embauché la plupart des meilleurs diplômés en ingénierie dans le domaine au cours des deux dernières décennies. « De nombreux produits existent, mais personne au-delà de cette industrie ne les connaît vraiment, car la plupart des innovations sont toujours soumises à des programmes stricts, classifiés et financés par la défense », a déclaré Palikaras.

À mesure que les métamatériaux sont de plus en plus reconnus, les universitaires et les professionnels de l’industrie conviennent que ces matériaux optiques inhabituels deviendront de plus en plus une technologie habilitante, aidant à améliorer et à renforcer une large gamme de produits existants simplement en les rendant plus performants et plus durables.

Référence

1. Recherche Lux. Résumé de l’innovation : le Lux s’attaque au futur des ,
www.luxresearchinc.com/the-lux-take-on-the-future-of-optical-metamaterials-press-release-executive-summary.

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