Термически окрашенные металлические поверхности дают идеальные поглотители света для высокотехнологичных применений
Исследователи обнаружили, что древняя техника нагрева металла для создания ярких цветов создает наноструктурированную поверхность, которая действует как идеальный поглотитель света. Совершенные поглотители света — материалы, которые поглощают более 99% определенного цвета — могут использоваться для датчиков, солнечных батарей, технологий защиты от подделок и стелс.
В журнале « Оптические материалы Экспресс» исследователи из Университета Case Western Reserve в Огайо сообщают о том, как создаются цвета на нагретых металлических поверхностях, и применяют эти результаты для создания тонкой никелевой пленки, которая отлично поглощает красный свет .
«Мы обнаружили, что технология металлургии, насчитывающая 3000 лет, на самом деле является одним из простейших примеров метасоверхности — искусственных поверхностей с субволновыми элементами, которые придают уникальные электромагнитные свойства», — сказал Джузеппе Странджи, член исследовательской группы Case Western Reserve University. «Создание изменений цвета путем нанесения одного металлического слоя открывает новые эстетические возможности в металлообработке, а также в таких приложениях, как экранирование устройств от электромагнитных сигналов, которые вызывают шум и помехи».
В отличие от переливающихся цветов пузырьков воды и крыльев бабочки, которые меняются в зависимости от угла обзора, тонкие оксидные пленки, образующиеся при нагревании металла, сохраняют свои цвета под всеми углами. Это может сделать цвет, индуцированный теплом, полезным для изготовления голограмм для защиты валюты и металлических изделий от подделок.
Простой подход
Ученые ранее продемонстрировали идеальное поглощение света, используя ультратонкие поглощающие материалы на металлах или с высокотехнологичными наноструктурами. Однако эти материалы требуют, по меньшей мере, двух осаждения материалов с использованием методов изготовления нанолитографии, которые являются дорогостоящими, трудоемкими и трудными для воспроизведения.
«Мы показали, что идеальное поглощение света может быть реализовано с использованием простой тонкой пленки с правильной комбинацией оксидной и металлической подложки», — сказал Странджи. «Эта комбинация естественным образом встречается с некоторыми металлами, такими как никель и титан, которые мы использовали в этом исследовании».
Чтобы продемонстрировать свою технику, исследователи нанесли на кремний 150 нанометров никеля или титана, а затем нагрели пленки в течение 20-40 минут при 400 ° С, чтобы сформировать оксидный слой. Анализ абсорбционных свойств образцов показал, что никелевые пленки, прокаленные в течение 40 минут, поглощали примерно 99,94% красного света. Исследователи также продемонстрировали, что поглощение света может быть настроено на видимые и ближние инфракрасные волны путем изменения продолжительности нагрева, которая изменяет толщину оксидного слоя.
Как это устроено
Идеальное поглощение света происходит в нагретом металле, потому что световые лучи, выходящие из оксидного слоя и металлической подложки, собираются вместе таким образом, что они компенсируют друг друга — явление, известное как полное деструктивное вмешательство. Любой оставшийся свет поглощается внутри металлической подложки.
«Этот метод создания идеального поглощения очень практичен благодаря своей простоте и воспроизводимости», — сказал Странджи. «Оксидный слой делает поверхность устойчивой к царапинам и защищает ее от дальнейшего окисления».
Исследователи планируют провести дополнительные эксперименты, чтобы определить, могут ли рисунки с высоким разрешением образовываться растущими слоями оксида металла . Они также работают над разработкой газовых датчиков с использованием идеальных поглотителей света.
