211service.com
Materiāli, kas neatspoguļo gaismu
Nevēlami atstarojumi ierobežo uz gaismu balstītu tehnoloģiju, piemēram, saules bateriju, kameru objektīvu un gaismas diožu (LED) veiktspēju. Piemēram, saules baterijās atstarošana nozīmē mazāk gaismas, ko var pārvērst elektrībā. Tagad pētnieki Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) Trojā, Ņujorkā un pusvadītāju ražotāja Crystal IS Green Islandē, NY, ir izstrādājuši jauna veida nanostrukturētu pārklājumu, kas var praktiski novērst atstarojumus, potenciāli radot dramatiskus optisko ierīču uzlabojumus. Darbs ir publicēts pašreizējā numurā Dabas fotonika .
Neredzu atspulgu: Divi alumīnija nitrīda gabali, pusvadošs materiāls, ko var izmantot gaismu izstarojošās ierīcēs, atstaro dažādu gaismas daudzumu. Gabals augšpusē atspoguļo 12 procentus gaismas. Jauns pretatstarojošs pārklājums apakšējā daļā samazina atstarošanu līdz aptuveni 0,1 procentiem. Zilā nokrāsa ir tāpēc, ka pārklājums ļauj vairāk atstarot zilo gaismu. Šādi pārklājumi varētu uzlabot daudzas optiskās ierīces.
Pētnieki parādīja, ka viņi var novērst gandrīz visu dažādu gaismas viļņu garumu atstarošanu, audzējot nanomēroga stieņus, kas izvirzīti noteiktos leņķos no virsmas. Turpretim parastie pretatstarojošie pārklājumi vislabāk darbojas tikai noteiktām krāsām, tāpēc, piemēram, brillēm ar šādiem pārklājumiem joprojām ir redzami vāji sarkani vai zaļi atspīdumi. Freds Šūberts, RPI fizikas un elektriskās, datoru un sistēmu inženierijas profesors un viens no pētījuma autoriem, saka, ka materiāls aptur atstarojumus no gandrīz visām redzamā spektra krāsām, kā arī dažu infrasarkano gaismu, un tas. samazina arī atstarojumu no gaismas, kas nāk no vairākiem virzieniem nekā parastie pārklājumi. Rezultātā viņš saka, ka kopējais atstarojums ir 10 reizes mazāks nekā ar pašreizējiem pārklājumiem.
Uzklāts uz saules baterijas, jaunais pārklājums palielinātu absorbētās gaismas daudzumu par dažiem procentpunktiem un pārvērstu to elektroenerģijā, saka Šūberts. Viņš saka, ka daudz ievērojamāku uzlabojumu par 40 procentiem var redzēt gaismas diodēs, kurās liels daudzums pusvadītāja radītās gaismas parasti tiek iesprostots ierīces iekšpusē ar atstarojumiem. Darbs ir daļa no pieaugošajiem pētnieku centieniem mainīt materiālu īpašības, piemēram, to optiskās īpašības, kontrolējot nanomēroga struktūras.
Lai izveidotu mazāk atstarojošas virsmas, RPI inženieri izveidoja daudzslāņu, porainu pārklājumu, kas atvieglo pāreju, gaismai pārejot no gaisa uz cietu materiālu vai gaismai izstarojot no pusvadītāja LED. Atstarošanās spēja ir saistīta ar atšķirību starp daudzumu, kādā divas vielas, piemēram, gaiss un stikls, lauž vai saliek gaismu. Atšķirības samazināšana samazina atspīdumu vietās, kur satiekas divi materiāli. Jaunajā pārklājumā katrs nākamais slānis vairāk saliek gaismu, gaismai virzoties no gaisa uz substrātu. Tāpat kā LED piemērā, gaisma, kas izplūst no pusvadītāja, tiek saliekta mazāk katrā nākamajā slānī, līdz tā sasniedz gaisu.
Tā pamatā esošā teorija ir zināma gadu desmitiem, saka Stīvens Džonsons, MIT lietišķās matemātikas profesors, taču izaicinājums ir radīt struktūru, kas ir gan pietiekami poraina, gan pietiekami maza, lai strādātu ar īsiem redzamās gaismas viļņu garumiem.
RPI pētnieki izveidoja šādu porainu struktūru, nogulsnējot materiālus uz virsmas, lai izveidotu nanomēroga stieņus. Virsmas noliekšana ļauj audzēt nanostieņus leņķī. Pētnieki atklāja, ka, mainot nanostieņu leņķi, viņi var kontrolēt veidu, kā nanostieņi saliek gaismu - refrakcijas indeksu. Gaisa refrakcijas indekss ir gandrīz viens. Pētniekiem izdevās izveidot nanostieņu augšējo slāni ar Šūberta teikto, ka vēl nebijušais indekss ir 1,05. (Salīdzinājumam – stikla laušanas indekss ir 1,45, bet gaismu izstarojoša pusvadītāja alumīnija nitrīda indekss ir aptuveni 2,05.) Katram nākamajam slānim ir augstāks laušanas koeficients, līdz pēdējais slānis gandrīz atbilst pamatnei. Divos augšējos slāņos ir iekļauti stikla nanostieņi. Trīs apakšējie ir izgatavoti no titāna. Pētnieki pārbaudīja pārklājumu uz alumīnija nitrīda, taču tam vajadzētu darboties uz dažādiem substrātiem, saka Šūberts.
Mēs esam izstrādājuši jaunu materiālu klasi, kuras laušanas koeficients ir zemāks nekā jebkam citam — jebkuram citam dzīvotspējīgam optiskam plānslāņa materiālam, kas bijis pieejams pagātnē, saka Šūberts. Tā kā optikā viss ir atkarīgs no refrakcijas indeksa, viņš saka, ka tam var būt arī citi pielietojumi, nevis pretatstarojoši pārklājumi. Patiešām, nanostieņus varētu izmantot, lai izdarītu pretējo, radot ļoti labi atstarojošus spoguļus, savienojot pārī nanostieņu slāņus, kas ļoti atšķirīgi saliek gaismu, nevis radot pakāpenisku pāreju.
Šūberts sadarbojas ar spinoff uzņēmumu, lai komercializētu tehnoloģiju, un viņš paredz, ka produkti varētu būt pieejami trīs līdz piecu gadu laikā. Šī tehnoloģija konkurēs ar lētiem parastajiem pārklājumiem, kā arī ar citiem jauniem nanostrukturētiem materiāliem. Tas ir ļoti elegants, skaists darbs, saka Maikls Rubners, MIT materiālu zinātnes un inženierzinātņu profesors. Viņi ir spējuši iegūt dažas ārkārtīgi zemas refrakcijas indeksa vērtības pārklājumam. Galvenais jautājums vienmēr ir izmaksu un veiktspējas attiecība.