211service.com
Material som inte reflekterar något ljus
Oönskade reflektioner begränsar prestandan hos ljusbaserad teknik, såsom solceller, kameralinser och lysdioder (LED). I till exempel solceller innebär reflektioner mindre ljus som kan omvandlas till el. Nu har forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), i Troy, NY, och halvledartillverkaren Crystal IS, i Green Island, NY, utvecklat en ny typ av nanostrukturerad beläggning som praktiskt taget kan eliminera reflektioner, vilket kan leda till dramatiska förbättringar av optiska enheter. Verket publiceras i det aktuella numret av Naturfotonik .
Ser ingen reflektion: Två stycken aluminiumnitrid, ett halvledande material som kan användas i ljusavgivande enheter, reflekterar olika mängder ljus. Biten längst upp reflekterar 12 procent av ljuset. En ny antireflekterande beläggning på den nedre delen minskar reflektionen till cirka 0,1 procent. Den blåaktiga nyansen beror på att beläggningen låter mer blått ljus reflekteras. Sådana beläggningar skulle kunna förbättra många optiska anordningar.
Forskarna visade att de kan förhindra nästan all reflektion av ett brett spektrum av ljusvåglängder genom att odla stavar i nanoskala som projiceras i specifika vinklar från en yta. Däremot fungerar konventionella antireflekterande beläggningar bäst endast för specifika färger, varför till exempel glasögon med sådana beläggningar fortfarande visar svagt röda eller gröna reflexer. Fred Schubert, professor i fysik och el-, dator- och systemteknik vid RPI och en av författarna till studien, säger att materialet stoppar reflektioner från nästan alla färger i det synliga spektrumet, såväl som en del infrarött ljus, och det minskar också reflektioner från ljus som kommer från fler håll än vad konventionella beläggningar gör. Som ett resultat, säger han, är den totala reflektionen 10 gånger mindre än vad den är med nuvarande beläggningar.
Applicerad på en solcell skulle den nya beläggningen öka mängden ljus som absorberas med några procentenheter och omvandla det till elektricitet, säger Schubert. En mer anmärkningsvärd förbättring på 40 procent kunde ses i lysdioder, säger han, där en stor mängd ljus som genereras av en halvledare vanligtvis fångas inuti enheten av reflektioner. Arbetet är en del av en växande satsning bland forskare på att förändra materialens egenskaper, såsom deras optiska egenskaper, genom att kontrollera strukturer i nanoskala.
För att göra mindre reflekterande ytor skapade RPI-ingenjörerna en flerskiktad, porös beläggning som underlättar övergången när ljus rör sig från luft till ett fast material eller när ljus emitteras från en halvledare i en LED. Reflexionsförmåga är relaterad till skillnaden mellan hur mycket två ämnen, som luft och glas, bryter eller böjer ljus. Att minska skillnaden minskar reflektion där två material möts. I den nya beläggningen böjer varje efterföljande lager ljuset mer när ljuset rör sig från luft till ett substrat. Likaså, som i exemplet med en LED, böjs ljus som kommer från en halvledare mindre i varje efterföljande lager tills det når luften.
Teorin bakom detta har varit känd i decennier, säger Steven Johnson, professor i tillämpad matematik vid MIT, men utmaningen har varit att tillverka en struktur som är både tillräckligt porös och tillräckligt liten för att fungera med synligt ljuss korta våglängder.
RPI-forskarna gjorde en sådan porös struktur genom att deponera material på en yta för att skapa nanoskaliga stavar. Att luta ytan gör det möjligt att odla nanoroderna i vinkel. Forskarna fann att genom att ändra vinkeln på nanoroderna kan de kontrollera hur nanoroderna böjer ljuset - brytningsindexet. Luft har ett brytningsindex på nästan ett. Forskarna kunde göra ett toppskikt av nanorods med vad Schubert säger är ett aldrig tidigare skådat index på 1,05. (Till jämförelse har glas ett brytningsindex på 1,45, och en ljusemitterande halvledare, aluminiumnitrid, har ett index på cirka 2,05.) Varje på varandra följande skikt har ett högre brytningsindex tills det sista skiktet nästan matchar substratet. De två översta lagren innehåller nanorods av glas. De tre nedersta är gjorda av titaniumoxid. Forskarna testade beläggningen på aluminiumnitrid, men den borde fungera på en mängd olika substrat, säger Schubert.
Vi har utvecklat en ny klass av material som har ett brytningsindex som är lägre än något annat - något annat livskraftigt optiskt tunnfilmsmaterial som har varit tillgängligt tidigare, säger Schubert. Eftersom allt inom optik beror på brytningsindex, säger han att det kan ha andra tillämpningar än antireflekterande beläggningar. Faktum är att nanoroderna kan användas för att göra det motsatta, skapa mycket starkt reflekterande speglar genom att para ihop lager av nanorods som böjer ljuset väldigt annorlunda, snarare än genom att skapa en gradvis övergång.
Schubert arbetar med ett spinoff-företag för att kommersialisera tekniken, och han räknar med att produkterna kan vara tillgängliga om tre till fem år. Tekniken kommer att möta konkurrens med billiga konventionella beläggningar samt med andra nya nanostrukturerade material. Det här är väldigt elegant, vackert arbete, säger Michael Rubner, professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid MIT. De har kunnat få några exceptionellt låga brytningsindexvärden för en beläggning. Nyckelfrågan kommer alltid att vara kostnad kontra prestanda.