Termisk malede metaoverflader giver perfekte lysabsorbere til højteknologiske applikationer

Forskere har opdaget, at den ældgamle teknik med at opvarme metal for at skabe levende farver skaber en nanostruktureret overflade, der fungerer som en perfekt lysabsorber. Perfekte lysabsorbenter - materialer, der absorberer mere end 99 % af en bestemt farve - kan bruges til sansning, solpaneler, anti-forfalskning og stealth-teknologier.

I journalen Optiske materialer Express , forskere fra Case Western Reserve University i Ohio rapporterer deres indsigt i, hvordan farver genereres på opvarmede metaloverflader og anvender disse resultater til at skabe en nikkel-tynd film, der perfekt absorberer rødt lys.

"Vi fandt ud af, at en 3, 000 år gammel metallurgiteknik er faktisk et af de enkleste eksempler på en metasurface - kunstige overflader med subbølgelængdetræk, der giver unikke elektromagnetiske egenskaber, " sagde Giuseppe Strangi, medlem af forskerholdet fra Case Western Reserve University. "At skabe farveændringer ved at afsætte et enkelt metallag åbner for nye æstetiske muligheder inden for metalbearbejdning, samt applikationer såsom afskærmning af enheder fra elektromagnetiske signaler, der forårsager støj og interferens."

I modsætning til de iriserende farver af vandbobler og sommerfuglevinger, som ændrer sig afhængigt af betragtningsvinklen, de tynde oxidfilm fremstillet ved opvarmning af metal bevarer deres farver i alle vinkler. Dette kan gøre den varmeinducerede farve nyttig til fremstilling af hologrammer for at beskytte valuta- og metalprodukter mod forfalskning.

En simpel tilgang

Forskere har tidligere demonstreret perfekt lysabsorption ved hjælp af ultratynde absorberende materialer på metaller eller med højkonstruerede nanostrukturer. Imidlertid, disse materialer kræver mindst to materialeaflejringer ved brug af nanolitografi-fremstillingsmetoder, der er dyre, tidskrævende og svær at reproducere.

"Vi viste, at perfekt lysabsorption kunne realiseres ved hjælp af en simpel tyndfilm med den rigtige kombination af oxid og metallisk substrat, " sagde Strangi. "Denne kombination forekommer naturligt med visse metaller som nikkel og titanium, vi brugte i denne undersøgelse."

For at demonstrere deres teknik, forskerne afsatte 150 nanometer nikkel eller titanium på silicium og opvarmede derefter filmene i 20 til 40 minutter ved 400 °C for at danne et oxidlag. Analyse af prøvernes absorptionsegenskaber viste, at nikkelfilmene bagt i 40 minutter absorberede ca. 99,94% rødt lys. Forskerne demonstrerede også, at lysabsorptionen kunne indstilles på tværs af synlige og nær-infrarøde bølgelængder ved at ændre opvarmningens varighed, som ændrer tykkelsen af ​​oxidlaget.

Hvordan det virker

Perfekt lysabsorption sker i det opvarmede metal, fordi lysstråler, der kommer ud fra oxidlaget og metalsubstratet, samles på en sådan måde, at de ophæver hinanden - et fænomen kendt som total destruktiv interferens. Eventuelt resterende lys absorberes inde i metalsubstratet.

"Denne metode til at skabe perfekt absorption er meget praktisk på grund af dens enkelhed og reproducerbarhed, " sagde Strangi. "Oxidlaget gør overfladen ridsefast og beskytter den mod yderligere oxidation."

Forskerne planlægger at udføre yderligere eksperimenter for at afgøre, om højopløsningsmønstre kan dannes ved at dyrke metaloxidlag. De arbejder også på at udvikle gassensorer ved hjælp af de perfekte lysabsorbere.