211service.com
Materiały, które nie odbijają światła
Niepożądane odbicia ograniczają wydajność technologii opartych na świetle, takich jak ogniwa słoneczne, obiektywy kamer i diody elektroluminescencyjne (LED). Na przykład w ogniwach słonecznych odbicia oznaczają mniej światła, które można zamienić na energię elektryczną. Teraz naukowcy z Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) w Troy w stanie Nowy Jork i producent półprzewodników Crystal IS w Green Island w stanie Nowy Jork opracowali nowy rodzaj nanostrukturalnej powłoki, która może praktycznie wyeliminować odbicia, potencjalnie prowadząc do radykalnych ulepszeń w urządzeniach optycznych. Praca została opublikowana w bieżącym numerze Fotonika przyrody .
Widząc brak odbicia: Dwa kawałki azotku aluminium, materiału półprzewodnikowego, który może być używany w urządzeniach emitujących światło, odbijają różne ilości światła. Kawałek na górze odbija 12% światła. Nowa powłoka antyrefleksyjna na dolnej części zmniejsza odbicie do około 0,1 procent. Niebieskawy odcień jest spowodowany tym, że powłoka odbija więcej niebieskiego światła. Takie powłoki mogą ulepszyć wiele urządzeń optycznych.
Naukowcy wykazali, że mogą zapobiegać niemal wszelkim odbiciom szerokiego zakresu długości fal światła poprzez wyhodowanie pręcików w nanoskali wyrzucanych z powierzchni pod określonymi kątami. Natomiast konwencjonalne powłoki antyrefleksyjne najlepiej sprawdzają się tylko dla określonych kolorów, dlatego np. okulary z takimi powłokami nadal wykazują słabe czerwone lub zielone refleksy. Fred Schubert, profesor fizyki i inżynierii elektrycznej, komputerowej i systemów w RPI i jeden z autorów badania, mówi, że materiał zatrzymuje odbicia od prawie wszystkich kolorów widma widzialnego, a także od części światła podczerwonego, i zmniejsza również odbicia światła pochodzącego z większej liczby kierunków niż konwencjonalne powłoki. W rezultacie, jak mówi, całkowite odbicie jest 10 razy mniejsze niż w przypadku obecnych powłok.
Nowa powłoka zastosowana do ogniwa słonecznego zwiększyłaby ilość pochłanianego światła o kilka punktów procentowych i zamieniłaby je w energię elektryczną, mówi Schubert. Bardziej niezwykłą 40-procentową poprawę można było zaobserwować w przypadku diod LED, mówi, w których duża ilość światła generowanego przez półprzewodnik jest zwykle uwięziona wewnątrz urządzenia przez odbicia. Prace wpisują się w rosnące wysiłki naukowców zmierzające do zmiany właściwości materiałów, takich jak właściwości optyczne, poprzez kontrolowanie struktur w nanoskali.
Aby uzyskać mniej odblaskowe powierzchnie, inżynierowie RPI stworzyli wielowarstwową, porowatą powłokę, która ułatwia przechodzenie światła z powietrza do materiału stałego lub gdy światło jest emitowane z półprzewodnika w diodzie LED. Współczynnik odbicia jest związany z różnicą w stopniu, w jakim dwie substancje, takie jak powietrze i szkło, załamują lub zginają światło. Zmniejszenie różnicy zmniejsza odbicie w miejscu spotkania dwóch materiałów. W nowej powłoce każda kolejna warstwa bardziej ugina światło w miarę przemieszczania się światła z powietrza na podłoże. Podobnie, jak w przypadku diody LED, światło wychodzące z półprzewodnika w każdej kolejnej warstwie jest zaginane mniej, aż dotrze do powietrza.
Teoria stojąca za tym jest znana od dziesięcioleci, mówi Steven Johnson, profesor matematyki stosowanej na MIT, ale wyzwaniem było wytworzenie struktury, która jest wystarczająco porowata i wystarczająco mała, aby pracować z krótkimi falami światła widzialnego.
Naukowcy z RPI stworzyli taką porowatą strukturę, umieszczając materiały na powierzchni, aby stworzyć pręty w nanoskali. Nachylenie powierzchni umożliwia wyhodowanie nanoprętów pod kątem. Naukowcy odkryli, że zmieniając kąt nanoprętów, mogą kontrolować sposób, w jaki nanopręty zaginają światło – współczynnik załamania. Powietrze ma współczynnik załamania prawie jeden. Naukowcom udało się stworzyć górną warstwę nanoprętów z, jak mówi Schubert, bezprecedensowym wskaźnikiem 1,05. (Dla porównania, szkło ma współczynnik załamania światła 1,45, a półprzewodnik emitujący światło, azotek glinu, ma współczynnik około 2,05.) Każda kolejna warstwa ma wyższy współczynnik załamania, aż ostatnia warstwa prawie pasuje do podłoża. Dwie górne warstwy zawierają szklane nanopręty. Trzy dolne są wykonane z tytanu. Naukowcy przetestowali powłokę na azotku aluminium, ale powinna działać na różnych podłożach, mówi Schubert.
Opracowaliśmy nową klasę materiałów, które mają współczynnik załamania światła niższy niż cokolwiek innego – jakikolwiek inny opłacalny optyczny materiał cienkowarstwowy, który był dostępny w przeszłości – mówi Schubert. Ponieważ wszystko w optyce zależy od współczynnika załamania, mówi, że może mieć zastosowanie inne niż powłoki antyrefleksyjne. Rzeczywiście, nanopręty można wykorzystać do odwrotnego działania, tworząc bardzo silnie odbijające zwierciadła poprzez łączenie warstw nanoprętów, które zaginają światło w bardzo różny sposób, zamiast tworzenia stopniowego przejścia.
Schubert współpracuje z firmą typu spinoff nad komercjalizacją technologii i przewiduje, że produkty będą dostępne za trzy do pięciu lat. Technologia będzie konkurować z niedrogimi powłokami konwencjonalnymi, a także z innymi nowymi materiałami nanostrukturalnymi. To bardzo elegancka, piękna praca, mówi Michael Rubner, profesor inżynierii materiałowej na MIT. Udało im się uzyskać wyjątkowo niskie wartości współczynnika załamania dla powłoki. Kluczowym pytaniem zawsze będzie stosunek kosztów do wydajności.