Onderzoekers hebben ontdekt dat de oude techniek om metaal te verhitten om levendige kleuren te creëren, een nanogestructureerd oppervlak creëert dat werkt als een perfecte lichtabsorbeerder. Perfecte lichtabsorbers - materialen die meer dan 99% van een bepaalde kleur absorberen - kunnen worden gebruikt voor detectie, zonnepanelen, anti-namaak- en stealth-technologieën.

In het journaal Optische materialen Express , onderzoekers van Case Western Reserve University in Ohio rapporteren hun inzichten in hoe kleuren worden gegenereerd op verwarmde metalen oppervlakken en passen die bevindingen toe om een ​​dunne nikkelfilm te creëren die rood licht perfect absorbeert.

"We vonden dat een 3, De 000 jaar oude metallurgietechniek is eigenlijk een van de eenvoudigste voorbeelden van een meta-oppervlak - kunstmatige oppervlakken met subgolflengtekenmerken die unieke elektromagnetische eigenschappen verlenen, " zei Giuseppe Strangi, een lid van het onderzoeksteam van Case Western Reserve University. "Het creëren van kleurveranderingen door het afzetten van een enkele metaallaag opent nieuwe esthetische mogelijkheden in de metaalbewerking, evenals toepassingen zoals het afschermen van apparaten tegen elektromagnetische signalen die ruis en interferentie veroorzaken."

In tegenstelling tot de iriserende kleuren van waterbellen en vlindervleugels, die veranderen afhankelijk van de kijkhoek, de dunne oxidefilms die worden geproduceerd door metaal te verhitten, behouden hun kleuren onder alle hoeken. Dit zou de door warmte veroorzaakte kleur nuttig kunnen maken voor het maken van hologrammen om valuta en metalen producten te beschermen tegen vervalsing.

Een eenvoudige aanpak

Wetenschappers hebben eerder perfecte lichtabsorptie aangetoond met behulp van ultradunne absorberende materialen op metalen of met hoogtechnologische nanostructuren. Echter, deze materialen vereisen ten minste twee materiaalafzettingen met behulp van nanolithografische fabricagemethoden die duur zijn, tijdrovend en moeilijk te reproduceren.

"We toonden aan dat een perfecte lichtabsorptie kon worden gerealiseerd met een eenvoudige dunne film met de juiste combinatie van oxide en metallisch substraat, " zei Strangi. "Deze combinatie komt van nature voor met bepaalde metalen zoals het nikkel en titanium dat we in deze studie hebben gebruikt."

Om hun techniek te demonstreren, de onderzoekers brachten 150 nanometer nikkel of titanium aan op silicium en verhitten de films vervolgens 20 tot 40 minuten bij 400 ?C tot een oxidelaag. Analyse van de absorptie-eigenschappen van de monsters toonde aan dat de 40 minuten gebakken nikkelfilms ongeveer 99,94% rood licht absorbeerden. De onderzoekers toonden ook aan dat de lichtabsorptie kan worden afgestemd op zichtbare en nabij-infrarode golflengten door de verwarmingsduur aan te passen, waardoor de dikte van de oxidelaag verandert.

Hoe het werkt

Perfecte lichtabsorptie vindt plaats in het verwarmde metaal omdat lichtstralen die uit de oxidelaag en het metalen substraat komen op zo'n manier samenkomen dat ze elkaar opheffen - een fenomeen dat bekend staat als totale destructieve interferentie. Het resterende licht wordt geabsorbeerd in het metalen substraat.

"Deze methode om perfecte absorptie te creëren is zeer praktisch vanwege de eenvoud en reproduceerbaarheid, " zei Strangi. "De oxidelaag maakt het oppervlak krasbestendig en beschermt het tegen verdere oxidatie."

De onderzoekers zijn van plan om aanvullende experimenten uit te voeren om te bepalen of patronen met een hoge resolutie kunnen worden gevormd door groeiende metaaloxidelagen. Ze werken ook aan de ontwikkeling van gassensoren met de perfecte lichtabsorbers.