Fremstilling af ultratynde farvebelægninger:Fysikere producerer levende optiske effekter - på papir

I en underkælder dybt under Laboratory for Integrated Science and Engineering ved Harvard University, Mikhail Kats klæder sig på. Mesh skoovertræk, en ansigtsmaske, et hårnet, en bleg grå jumpsuit, knæhøje stofstøvler, vinyl handsker, sikkerhedsbriller, og en hætte med spænder ved kraven - disse skal ikke beskytte ham, Kats forklarer, men for at beskytte det sarte udstyr og materialer inde i renrummet.

Mens han fik sin ph.d. i anvendt fysik ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Kats har brugt utallige timer i denne banebrydende facilitet. Sammen med sin rådgiver, Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik, Kats har bidraget til nogle fantastiske fremskridt.

Det ene er et metamateriale, der absorberer 99,75 procent af infrarødt lys - meget nyttigt til termiske billedbehandlingsenheder. En anden er en ultratynd, flad linse, der fokuserer lyset uden at give forvrængninger fra konventionelle linser. Og holdet har produceret hvirvelbjælker, lysstråler, der ligner en proptrækker, som kunne hjælpe kommunikationsvirksomheder med at transmittere flere data over begrænset båndbredde.

Bestemt det mest farverige fremskridt, der dukkede op fra Capasso-laboratoriet, imidlertid, er en teknik, der belægger en metallisk genstand med et ekstremt tyndt lag af halvleder, kun et par nanometer tyk. Selvom halvlederen er en stålgrå farve, objektet ender med at skinne i levende nuancer. Det er fordi belægningen udnytter interferenseffekter i de tynde film; Kats sammenligner det med de iriserende regnbuer, der er synlige, når olien flyder på vandet. Omhyggeligt indstillet i laboratoriet, disse belægninger kan give en lys, ensfarvet pink - eller, sige, en levende blå - ved hjælp af de samme to metaller, påført med kun få atomers forskel i tykkelse.

Capassos forskningsgruppe offentliggjorde resultatet i 2012, men på det tidspunkt, de havde kun demonstreret belægningen på relativt glat, flade overflader som silicium. Dette efterår, gruppen udgav et andet papir, i journalen Anvendt fysik bogstaver , tage arbejdet meget længere.

"Jeg klippede et stykke papir ud af min notesbog og lagde guld og germanium på det, " siger Kats, "og det fungerede på samme måde."

Det fund, vildledende simpel i betragtning af den involverede fysik, foreslår nu, at de ultratynde belægninger kunne påføres stort set ethvert ru eller fleksibelt materiale, fra bærbare stoffer til strækbar elektronik.

"Dette kan ses som en måde at farve næsten ethvert objekt, mens man kun bruger en lille mængde materiale, " siger Capasso.

Det var ikke indlysende, at de samme farveeffekter ville være synlige på ru underlag, fordi interferenseffekter normalt er meget følsomme over for lysvinklen. Og på et ark papir, Kats forklarer, "Der er bakker og dale og fibre og småting, der stikker ud - det er derfor, man ikke kan se sit spejlbillede i det. Lyset spreder sig."

På den anden side, de påførte film er så ekstremt tynde, at de interagerer med lys næsten øjeblikkeligt, så man ser på belægningen lige på eller fra siden – eller, det viser sig, at se på de grove ufuldkommenheder i papiret - gør ikke den store forskel for farven. Og papiret forbliver fleksibelt, som sædvanligt.

Demonstrer teknikken i renrummet på Center for Nanoscale Systems, en National Science Foundation-støttet forskningsfacilitet på Harvard, Kats bruger en maskine kaldet en elektronstrålefordamper til at påføre guld- og germaniumbelægningen. Han forsegler papirprøven inde i maskinens kammer, og en pumpe suger luften ud, indtil trykket falder til svimlende 10 ^-6 Torr (en milliardtedel af en atmosfære). En strøm af elektroner rammer et stykke guld holdt i en kulstofdigel, og metallet fordamper, bevæger sig opad gennem vakuumet, indtil det rammer papiret. gentage processen, Kats tilføjer det andet lag. Lidt mere eller lidt mindre germanium gør forskellen mellem indigo og crimson.

Denne særlige laboratorieteknik, Kats påpeger, er ensrettet, så for det blotte øje er meget subtile forskelle i farven synlige i forskellige vinkler, hvor lidt mindre af metallet er landet på siderne af papirets kamme og dale. "Du kan forestille dig dekorative applikationer, hvor du måske vil have noget, der har en lille smule af dette perlemorsagtige look, hvor du ser fra forskellige vinkler og ser en anden nuance, " bemærker han. "Men hvis vi skulle gå ved siden af ​​og bruge en reaktiv sputterer i stedet for denne e-beam fordamper, vi kunne nemt få en belægning, der passer til overfladen, og du ville ikke se nogen forskel."

Mange forskellige parringer af metal er mulige, også. "Germanium er billigt. Guld er dyrere, selvfølgelig, men i praksis bruger vi ikke meget af det, " forklarer Kats. Capassos team har også demonstreret teknikken ved brug af aluminium.

"Dette er en måde at farve noget med et meget tyndt lag materiale, så i princippet hvis det er et metal til at begynde med, du kan bare bruge 10 nanometer til at farve det, og hvis det ikke er, du kan afsætte et metal, der er 30 nm tykt og derefter yderligere 10 nm. Det er meget tyndere end en konventionel maling, der kan være mellem en mikron og 10 mikron tyk."

I de lejlighedsvise situationer, hvor vægten af ​​malingen har betydning, dette kan være meget vigtigt. Capasso husker, for eksempel, at den eksterne brændstoftank på NASA's rumfærge plejede at være malet hvid. Efter de to første missioner, ingeniører holdt op med at male det og sparede 600 pund vægt.

Fordi metalbelægningerne absorberer meget lys, reflekterer kun et smalt sæt bølgelængder, Capasso foreslår, at de også kunne inkorporeres i optoelektroniske enheder som fotodetektorer og solceller.

"Det faktum, at disse kan aflejres på fleksible underlag, har betydning for fleksibel og måske endda strækbar optoelektronik, der kunne være en del af dit tøj eller kunne rulles sammen eller foldes, " siger Capasso.

Harvard's Office of Technology Development fortsætter med at forfølge kommercielle muligheder for den nye farvebelægningsteknologi og hilser kontakt fra interesserede parter velkommen.

Kats, som afslutter sin årelange postdoktorale forskningsstilling ved SEAS i denne måned, bliver adjunkt ved University of Wisconsin, Madison, i januar. Han krediterer de mange timer, han har brugt i Harvards avancerede laboratoriefaciliteter, for meget af hans succes inden for anvendt fysik.

"Du lærer så meget, mens du gør det, " siger Kats. "Du kan være kreativ, opdage noget undervejs, anvende noget nyt til din forskning. Det er fantastisk, at vi har studerende og postdocs hernede, der laver ting."