En termiskt målad metayta med subvåglängd producerar en bländande uppsättning färger som inte förändras med betraktningsvinkeln. Am oxidlager som är några nanometer tjockt odlades vid kanten av metallen vid höga temperaturer. Detta skapade den optiska metaytan som perfekt absorberar vissa våglängder av ljus. Kredit: Giuseppe Strangi, Case Western Reserve University
Forskare har upptäckt att den uråldriga tekniken att värma metall för att skapa levande färger skapar en nanostrukturerad yta som fungerar som en perfekt ljusabsorbent. Perfekta ljusabsorbenter – material som absorberar mer än 99 % av en viss färg – kan användas för avkänning, solpaneler, anti-förfalskning och smygteknik.
I journalen Optical Materials Express , forskare från Case Western Reserve University i Ohio rapporterar sina insikter om hur färger genereras på uppvärmda metallytor och tillämpar dessa fynd för att skapa en tunn nickelfilm som perfekt absorberar rött ljus.
"Vi fann att en 3, 000 år gammal metallurgiteknik är faktiskt ett av de enklaste exemplen på en metayta - konstgjorda ytor med subvåglängdsegenskaper som ger unika elektromagnetiska egenskaper, sade Giuseppe Strangi, en medlem av forskargruppen Case Western Reserve University. "Att skapa färgförändringar genom att avsätta ett enda metallskikt öppnar upp för nya estetiska möjligheter inom metallbearbetning, såväl som applikationer som att skärma enheter från elektromagnetiska signaler som orsakar brus och störningar."
Till skillnad från de iriserande färgerna på vattenbubblor och fjärilsvingar, som ändras beroende på betraktningsvinkeln, de tunna oxidfilmerna som produceras genom uppvärmning av metall behåller sina färger i alla vinklar. Detta kan göra den värmeinducerade färgen användbar för att göra hologram för att skydda valuta- och metallprodukter från förfalskning.
Ett enkelt tillvägagångssätt
Forskare har tidigare visat perfekt ljusabsorption med ultratunna absorberande material på metaller eller med högkonstruerade nanostrukturer. Dock, dessa material kräver minst två materialavsättningar med nanolitografiframställningsmetoder som är dyra, tidskrävande och svåra att reproducera.
Perfekt ljusabsorption sker i nickeloxidmetaytan (NiO) eftersom ljusstrålar som kommer ut från oxidskiktet och metallsubstratet kommer samman på ett sådant sätt att de tar ut varandra – ett fenomen som kallas total destruktiv interferens. Kredit: Giuseppe Strangi, Case Western Reserve University
"Vi visade att perfekt ljusabsorption kunde realiseras med en enkel tunnfilm med rätt kombination av oxid och metalliskt substrat, ", sade Strangi. "Denna kombination förekommer naturligt med vissa metaller som nickel och titan som vi använde i den här studien."
För att visa sin teknik, forskarna deponerade 150 nanometer nickel eller titan på kisel och värmde sedan filmerna i 20 till 40 minuter vid 400 °C för att bilda ett oxidskikt. Analys av provernas absorptionsegenskaper visade att nickelfilmerna gräddade i 40 minuter absorberade cirka 99,94 % av rött ljus. Forskarna visade också att ljusabsorptionen kunde ställas in över synliga och nära infraröda våglängder genom att modifiera uppvärmningstiden, vilket ändrar tjockleken på oxidskiktet.
Hur det fungerar
Perfekt ljusabsorption uppstår i den uppvärmda metallen eftersom ljusstrålar som kommer från oxidskiktet och metallsubstratet kommer samman på ett sådant sätt att de tar ut varandra - ett fenomen som kallas total destruktiv interferens. Eventuellt kvarvarande ljus absorberas inuti metallsubstratet.
"Denna metod för att skapa perfekt absorption är mycket praktisk på grund av sin enkelhet och reproducerbarhet, ", sa Strangi. "Oxidskiktet gör ytan reptålig och skyddar den från ytterligare oxidation."
Forskarna planerar att utföra ytterligare experiment för att avgöra om högupplösta mönster kan bildas genom att odla metalloxidskikt. De arbetar också med att utveckla gassensorer med de perfekta ljusabsorbenterna.
