对于自然界中一般的材料来说，要么具有高透射率材料外观呈现是透明的，要么具有高反射率材料呈现是不透明的。从原理上讲，不可能把一种材料从反射光学状态转换为全透明状态。 此前研究已经成功地产生了完美的黑色，即高吸收材料。与之相比，材料的透明度受到的研究关注相对较少。 还有一些应用场景，是需要从一种光学状态切换到另一种光学状态，例如：从漫反射到强吸收，就像在大多数印刷、传感或数据存储应用中一样。 你有没有想过：家里的窗户可以根据你的需求改变光学状态，在你想看风景的时候是高透明状态，在你想安静地不被外界光线打扰的时候变成全黑状态，再或者你想对着它照镜子的时候它能变成镜面状态？解决改变材料光学特性问题，研究人员正在为此而努力。 鉴于此，瑞士洛桑联邦理工学院的Olivier J.F. Martin教授领导的团队打破传统研究，提出了一种可以改变材料光学透明度的三层结构，其材料透明度可以通过改变脉冲激光处理实现对其调节，从而实现材料不同的光学状态。这种材料可以呈现完全透明，高反射镜面以及完美吸收黑体状态的任意转变或者是这三种状态的组合。 他们的研究成果以“Engineering multi-state transparency on demand”为题发表于 Light: Advanced Manufacturing。 传统的金属-绝缘体-金属(MIM)三层结构（也通常称为三明治结构），用于在可见光谱(VIS)中吸收率的提高。然而这样的吸收频带相当狭窄不利于实际应用。除此之外，虽然可以通过智能优化方法来扩大，但是又会以牺牲材料的最大可实现吸收率为代价。 本研究中，研究人员创新性地采用了纳米复合材料作为顶层，提出新的三明治结构，实现宽带和近乎完美吸收。 纳米复合材料层的优点是可以通过改变金属纳米颗粒填充率来调节其复合折射率。 研究团队使用铬作为金属纳米填充颗粒，因为它比金纳米颗粒复合材料或铂更经济，同时可以在VIS中提供高的吸收率。该复合材料通过蒸发的手段由金属纳米颗粒嵌入介质材料而形成，并且可以使用激光诱导对最初均匀的金属薄膜进行脱湿。
图1：新三明治结构示意图 新的三明治结构是由均质材料铬（Cr）、氟化镁（MgF2）和铝（Al）的三层材料堆叠而成。 中间间隔层：基于有损耗的法布里-珀罗干涉效应，吸收可见光光谱中近似于100%的入射光。由于氟化镁中间间隔层非常薄，在50-70 nm的厚度范围内，材料最初呈现高吸收态的黑色外观。当中间间隔层氟化镁较大厚度时会导致VIS中出现众所周知的法布里-珀罗反射峰，同时调节间隔层厚度可以调节材料的吸收峰，从而产生彩色外观。 底层：除了非常薄的间隔层外，还需要一个高度反射的底层来实现高吸收。研究团队选择铝作为底层材料是因为它的高反射率和低成本，并且适合批量生产。 顶层：顶部的铬层是部分透明的，这样光入射材料后有部分透射，反射和吸收。在到达顶部的铬层之前，透过的部分在底部的铝层被反射，在那里一部分的光被再次透射，反射，和吸收。这些多次反射和传输导致多波束干涉现象，通过调节多光束的强度和相位相匹配来达到预期结果。研究团队通过聚焦脉冲激光，使均匀的金属纳米填充颗粒变成局部沉积球，并且它们的大小可以被控制，从而通过它们强烈的电磁偶极共振来产生不同的颜色，这就可以实现亚微米范围以内的印刷。 通过将纳秒脉冲激光束聚焦在三明治结构上，及进一步修改激光光斑的密度，可以实现低反射状态和高反射镜面态的变化，或低透明状态和高透明的变化。注意到当同时为低反射和低透明状态时，即是完美吸收态。这样就实现了完美吸收态、镜面态及透明态三种状态的转化。将透明状态与合适的底漆结合使用可以实现多色状态，从而实现光学多彩打印。
这种可实现的多个状态可以应用于数据存储、多状态打印(如QR码)以及可同时改变振幅和相位的衍射光学元件的制造等。研究团队仅针对多态打印展开研究及测试，而这也很容易扩展到其他邻域。包括通过局部修改或调节反射、透射和相位特性来制造新型衍射光学元件。 论文信息： Mader et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:26  |
官方公众号
官方客服
