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上交《AFM》:一种等离子体超材料,可见光到远红外全向吸收带宽!

 材料科学网 2022-11-28 发表于江西
红外波段的宽带、全向光吸收对于新兴的航空航天和地面应用至关重要,例如机器视觉、自动驾驶汽车技术和航空航天望远镜。宽带吸波材料(BBA)需要具有较强的透过薄层结构的吸波能力以获得高信噪比,以及在恶劣环境下的制造可扩展性和服务可靠性以满足实际应用。这样的要求排除了许多已知的吸收材料,如碳纳米管,这些材料本质上是有损耗和易碎的。尽管进行了长期的研究工作,但在中长波红外范围内实现强烈的光-物质相互作用一直是极具挑战性的。

来自上海交通大学的研究人员通过实验发现了一种航空航天级、≈2.0微米厚的层次式珊瑚结构氮化钛(珊瑚-TiN)等离子体异质材料。这种材料在可见光到长波红外(0.25-25微米)范围内有超过90%的全方位吸收。珊瑚-TiN BBA的宽带光学控制是通过可见光和近红外的混合等离子体模、短波红外的腔模以及中长波红外传播的表面等离子体激元模的叠加实现的。等离子吸收器采用适形氧化铝涂层,在严酷的机械和热环境条件下进行严格的宇航级试验,表现出卓越的可靠性。相关文章以“Scalable-Manufactured Plasmonic Metamaterial with Omnidirectional Absorption Bandwidth across Visible to Far-Infrared”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接:
/10.1002/adfm.202207239

图 1.不同处理工艺下基材的表面形貌和润湿行为。a)平面基质,b)微梯基质和c)分层珊瑚基质的示意图和SEM图像。d)平面基质,e)微梯基质和f)接触角测试中的分层珊瑚基质上的水滴。

图 2.结构和光学表征。a)扁平TiN样品和b)珊瑚- TiN样品的横截面扫描电镜图像和元素映射。c) 使用积分球测量的 ref-TiN TF 样品和扁平 TiN 样品在可见光、近红外、SWIR、MWIR 和长波红外范围内的总半球吸收光谱。虚线表示基于插图所示的扁平TiN模型的FDTD模拟吸收光谱。d) 使用积分球测量的珊瑚-TiN 样品在可见光、近红外、SWIR、MWIR 和长波红外范围内的总半球吸收光谱。

图 3.全向吸收表征和基准测试。使用紫外-可见-近红外光谱和傅里叶变换红外光谱测量的a)平坦TiN样品和b)可见光,近红外,SWIR,MWIR和长波红外光谱范围内的珊瑚 - TiN样品的实验角度分辨吸收光谱。c) 基于工作带宽和工作带宽指标的宽带吸收器性能。

图4.涂有氧化铝保护层的珊瑚-TiN BBA。A)有和没有ALD-Al2O3保护层的珊瑚-TiN BBA的原子力显微镜高度图。B) ALD-Al2O3保护层TiN纳米粒子的电子显微镜图像和EDS-TEM元素图谱。C)无ALD-Al2O3涂层的珊瑚锡BBA的流延试验结果。D)涂有ALD-Al2O3涂层的珊瑚锡BBA的带式试验结果。E)无ALD-Al2O3保护层的珊瑚-TiN BBA的全光谱半球形吸光度。F)涂有ALD-Al2O3保护层的珊瑚锡BBA在胶带试验后的全光谱半球吸光度。

图 5.在恶劣环境中进行航空航天级可靠性测试。ALD Al2O3保护涂层的珊瑚-TiN BBA的全谱半球吸光度 a) 振动试验,b) 低温热循环老化试验,c) 500 ℃下长期高温真空退火试验20 h, d) 200 ℃ 加速抗氧化试验 20 h, e) 潮湿环境中的自然老化, 和f)盐雾腐蚀试验。

本研究使用可扩展的制造工艺实验演示了宽带全向等离子体吸收器,即珊瑚-TiN BBA。珊瑚-TiN BBA从可见光到长波红外范围(0.25 – 25μm)的全向吸收大于85%,结构厚度为2.0μm。其基本机制是可见光和近红外范围内的杂交等离子体模式、SWIR范围内的空腔模式以及MWIR和LWIR范围内的传播表面等离子体极化子模式的组合。带有 ALD Al2O3 保护涂层的珊瑚-TiN BBA 通过了严格的航空航天级胶带测试、振动测试、低温热循环老化测试、长期真空退火测试以及加速耐腐蚀性测试。本研究的研究结果显示出红外传感和检测中实际航空航天和地面应用的前景。(文:SSC)

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