Grafen smarte overflader kan nu indstilles til synligt spektrum

Forskere ved University of Manchesters National Graphene Institute har skabt optiske enheder med en unik række af tuner, dækker hele det elektromagnetiske spektrum, inklusive synligt lys.

Et papir udgivet i Naturfotonik skitserer applikationer for denne 'smarte overflade'-teknologi spænder fra næste generations displayenheder til dynamiske termiske tæpper til satellitter og multispektral adaptiv camouflage.

Enhedernes indstillingsevne opnås ved en proces kendt som elektro-interkalation, hvilket i dette tilfælde involverer lithium-ioner, der er indskudt mellem ark af flerlagsgrafen (MLG), tilbyder kontrol over elektriske, termiske og magnetiske egenskaber.

MLG-enheden er lamineret og vakuumforseglet i en lavdensitetspolyethylenpose, der har over 90 % optisk gennemsigtighed fra synligt lys til mikrobølgestråling.

Ladning bliver grå til guld

Under opladning (interkalering) eller afladning (de-interkalering), de elektriske og optiske egenskaber af MLG ændrer sig dramatisk. Den afladede enhed fremstår mørkegrå på grund af den høje absorptionsevne (> 80 %) af det øverste grafenlag i det synlige regime. Når enheden er fuldt opladet (ved ~3,8V), grafenlaget ser guldfarvet ud. Det opnåelige farverum kan beriges til at omfatte et område fra rød til blå ved hjælp af optiske effekter såsom tyndfilmsinterferens.

Professor Coskun Kocabas, hovedforfatter af undersøgelsen, sagde:"Vi har fremstillet en ny klasse af multispektrale optiske enheder med tidligere uopnåelige farveændringsevner ved at fusionere grafen og batteriteknologi.

"Den vellykkede demonstration af grafenbaserede smarte optiske overflader muliggør potentielle fremskridt inden for mange videnskabelige og tekniske områder."

For eksempel, et dynamisk termisk tæppe kunne selektivt reflektere synligt eller infrarødt lys og tillade en satellit at reflektere stråling fra den side, der vender mod solen, mens den udsender stråling fra dens skraverede ansigter. Tilsvarende når i jordens skygge, det tæppe kan isolere satellitten fra dybrumskøling [se figuren nedenfor]. Disse handlinger ville regulere indre temperaturer langt mere effektivt end en statisk termisk belægning.

Tidligere undersøgelser har undersøgt enheder ved specifikke bølgelængdeområder for mikrobølger, terahertz, infrarød og synlig, ved hjælp af enkelt- og flerlagsgrafen. Men det var udfordringen med at udvide dækningen til synligt lys og samtidig opretholde optisk aktivitet ved længere bølgelængder, der krævede innovation i enhedens struktur, overvinde etablerede vanskeligheder i integrationen af ​​optiske enheder med elektrokemiske celler.

"Her brugte vi et grafen-baseret lithium-ion-batteri som en optisk enhed, " tilføjede han. "Ved at kontrollere elektrontætheden af ​​grafen, vi er nu i stand til at styre lys fra synlige til mikrobølgelængder på den samme enhed."

Nobelpristageren professor Sir Kostya Novoselov var medforfatter på papiret og sagde:"Få-lags grafen tilbyder hidtil uset kontrol over dets optiske egenskaber gennem opladning. Sådanne enheder kan finde deres anvendelser på mange områder:fra adaptiv optik til termisk styring."