黑,超黑,把更多的光线吸走

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“黑夜给了我黑色的眼睛,我却用它来寻找光明。”

我们之所以能够看见物体,是由于物体上反射出的光波进入眼睛。如果某种物体可以全部吸收所有波段上的光波,光波无反射、无透射。那么,这种物体就无法被人眼和各种光学仪器直接观察到,这个物体也就做到了真正意义上的光学隐身。

为了充分感知到物体发射或反射出的最微弱的光波,光学仪器内部就应该尽量减少各种因反射带来的特定波段杂散光的干扰。各种高性能光吸收材料,可以使得光学仪器内部做到完全无反光。

因此,照相机、望远镜等光学仪器内部结构需要全部涂成不反光的黑色,才能获得高清晰的图像。红外成像、紫外成像则可以获得被观察物体的更多信息,在军事上用途很广,光学追踪光学侦查等都需要开发全波段范围的高性能光吸收材料。

提高光吸收材料的吸收率,对于太阳能的高效利用也十分重要:冬天阳光下穿上深色的高吸光率的衣服可以身体更加温暖。太阳发出的光波能量主要集中在0.2~2.5μm波长范围。拓宽光吸收波段,提高光吸收率,有利于更加高效转化更多的太阳能。


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光波投射到物体表面时,会发生吸收、反射和透射现象,物体吸收的光波能量和投射到其上的光波总能量之比称为该物体的光吸收率(α=I吸收/I入射),针对不同波长光线物体具有不同光吸收率。

那么,物质是如何吸收光线的呢?

从固体物理的角度,固体材料可以通过如下几种模式吸收光线:禁带跃迁吸收,激子吸收,自由载流子吸收,杂质和缺陷吸收等。每一种材料针对不同波长的光线都有本征的光吸收系数。

大多数物体都不可能达到完全的光吸收,通过改变表面形貌以及组织结构、材料的几何形状可以提高材料的吸光率。比如,通过控制材料表面的劈尖结构以及增加有利于光波多次反射的界面结构均可以提高光吸收率。但由于这种结构控制在尺度上需要与光波波长相匹配,因此,通过材料结构的控制提高光吸收性能给材料科学家带来挑战。

黑色天鹅绒,就是一种既利用材料本征光吸收性能又利用结构的高性能光吸收材料。2014年英国 SurreyNanoSystems 公司开发的 VantablackS-VIS 材料由碳纳米管构成,其光吸收率可以高达99.8%。一些黑色涂料光吸收率也可以达到97%以上。

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但这些材料有一个共通的问题,就是多为有机材料,结构比较脆弱,对环境和使用条件敏感,风不能吹手不能碰,而且失效后会产生剥离,导致光吸收性能下降,同时还会污染仪器设备。因此,开发各种环境下具有高稳定性的光吸收涂层具有较大的应用意义。

陶瓷的力学化学性能相对稳定,在物体表面沉积具有光吸收性能的陶瓷薄膜是常用的一种方法。通常来说,光吸收陶瓷薄膜的光吸收波长范围较窄,光吸收率也不高。日前,中国科学院宁波材料技术与工程研究所科研人员开发出一种超黑高稳定性宽频谱光吸收涂层技术。

TiAlN涂层(a)PVD成膜示意图,(b)涂层断面结构,(c)涂层剖面结构,(d)(e)涂层表面形貌,(f)在铜片表面的涂层,(g)PET柔性基底表面的涂层

该技术采用反应磁控溅射方法在金属、半导体、陶瓷、玻璃、高分子等基材表面制备的超黑TiAlN涂层。涂层具有精巧的纳米柱状结构,柱状晶直径约为50nm,晶界宽度约17nm,光线在柱状晶之间多次反射提高吸收率;纳米柱表面为锥形劈尖结构,可以有效地捕获引导入射光进入柱状晶界面;底层为层状结构,有利于提高其在各种基体材料上的附着力。

经测试,在200nm~2500nm宽频谱范围内具有三棱锥顶部的纳米柱状结构的TiAlN膜的光吸收率为0.89。在纳米柱状晶TiAlN黑膜顶层制备一层SiO2减反射涂层,可进一步提高吸收率至0.92。采用多层Cu/TiAlN/TiAlON/TiO2-SiO2的黑膜-减反膜串联结构,光吸收率可提高到0.95以上。

在可见光范围内,这种光吸收涂层的光吸收率能达到97%!

超黑高稳定性宽频谱光吸收薄膜的光吸收原理

该光吸收膜在350℃~550℃温度下仍具有较高的稳定性,基底材料适用范围包括金属、半导体、陶瓷、高分子等大多数常见材料。附着了这种光吸收膜的材料,可用在照相机、望远镜等光学仪器内部吸收干扰光线,拍出的照片、看到的图像会更加清晰。未来,这种涂层技术还能应用于哪些领域,可能就需要我们继续探索了。

 

该技术已经申报发明专利CN201210063873.8,DD180138I。

(a)宽频谱涂层光吸收谱,(b)Cu/TiAlN涂层拉曼发射谱

来源:中国科学院宁波材料技术与工程研究所

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