211service.com
Materialer, der ikke reflekterer lys
Uønskede refleksioner begrænser ydeevnen af lysbaserede teknologier, såsom solceller, kameralinser og lysdioder (LED'er). I solceller betyder reflekser for eksempel mindre lys, der kan omdannes til elektricitet. Nu har forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), i Troy, NY, og halvlederproducenten Crystal IS, i Green Island, NY, udviklet en ny type nanostruktureret belægning, der praktisk talt kan eliminere refleksioner, hvilket potentielt kan føre til dramatiske forbedringer i optiske enheder. Værket er offentliggjort i det aktuelle nummer af Naturfotonik .
Ser ingen refleksion: To stykker aluminiumnitrid, et halvledende materiale, der kan bruges i lysemitterende enheder, reflekterer forskellige mængder lys. Stykket øverst reflekterer 12 procent af lyset. En ny antireflekterende belægning på det nederste stykke reducerer refleksion til omkring 0,1 procent. Det blålige skær skyldes, at belægningen tillader mere blåt lys at reflektere. Sådanne belægninger kunne forbedre mange optiske enheder.
Forskerne viste, at de kan forhindre næsten al refleksion af en lang række bølgelængder af lys ved at dyrke nanoskala-stænger, der er projiceret i bestemte vinkler fra en overflade. I modsætning hertil fungerer konventionelle antireflekterende belægninger bedst kun til bestemte farver, hvorfor f.eks. briller med sådanne belægninger stadig viser svage røde eller grønne reflekser. Fred Schubert, professor i fysik og elektrisk, computer- og systemteknik ved RPI og en af forfatterne til undersøgelsen, siger, at materialet stopper refleksioner fra næsten alle farverne i det synlige spektrum, såvel som noget infrarødt lys, og det reducerer også refleksioner fra lys, der kommer fra flere retninger, end konventionelle belægninger gør. Som et resultat, siger han, er den samlede refleksion 10 gange mindre, end den er med nuværende belægninger.
Påført en solcelle ville den nye belægning øge mængden af absorberet lys med nogle få procentpoint og omdanne det til elektricitet, siger Schubert. En mere bemærkelsesværdig forbedring på 40 procent kunne ses i LED'er, siger han, hvor en stor mængde lys genereret af en halvleder typisk fanges inde i enheden af refleksioner. Arbejdet er en del af en voksende indsats blandt forskere for at ændre materialers egenskaber, såsom deres optiske egenskaber, ved at kontrollere strukturer i nanoskala.
For at lave mindre reflekterende overflader skabte RPI-ingeniørerne en flerlags, porøs belægning, der letter overgangen, når lys bevæger sig fra luft til et fast materiale, eller når lys udsendes fra en halvleder i en LED. Refleksion er relateret til forskellen mellem mængden af, at to stoffer, såsom luft og glas, bryder eller bøjer lys. Reduktion af forskellen reducerer refleksion, hvor to materialer mødes. I den nye belægning bøjer hvert efterfølgende lag lyset mere, efterhånden som lys bevæger sig fra luft til et underlag. Ligeledes, som i eksemplet med en LED, bøjes lys, der kommer fra en halvleder, mindre i hvert efterfølgende lag, indtil det når luften.
Teorien bag dette har været kendt i årtier, siger Steven Johnson, professor i anvendt matematik ved MIT, men udfordringen har været at fremstille en struktur, der både er porøs nok og lille nok til at arbejde med de korte bølgelængder af synligt lys.
RPI-forskerne lavede en sådan porøs struktur ved at afsætte materialer på en overflade for at skabe nanoskala stænger. Vipning af overfladen gør det muligt at dyrke nanoroderne i en vinkel. Forskerne fandt ud af, at ved at ændre vinklen på nanoroderne kan de kontrollere, hvordan nanoroderne bøjer lyset - brydningsindekset. Luft har et brydningsindeks på næsten et. Forskerne var i stand til at lave et toplag af nanorods med, hvad Schubert siger er et hidtil uset indeks på 1,05. (Til sammenligning har glas et brydningsindeks på 1,45, og en lysemitterende halvleder, aluminiumnitrid, har et indeks på omkring 2,05.) Hvert efterfølgende lag har et højere brydningsindeks, indtil det sidste lag næsten matcher substratet. De to øverste lag indeholder glas nanorods. De tre nederste er lavet af titanium. Forskerne testede belægningen på aluminiumnitrid, men den skulle virke på en række forskellige substrater, siger Schubert.
Vi har udviklet en ny klasse af materialer, der har et brydningsindeks, der er lavere end noget andet - ethvert andet levedygtigt optisk tyndfilmsmateriale, der har været tilgængeligt i fortiden, siger Schubert. Da alt i optik afhænger af brydningsindekset, siger han, at det kunne have andre anvendelser end antireflekterende belægninger. Faktisk kunne nanorods bruges til at gøre det modsatte ved at skabe meget stærkt reflekterende spejle ved at parre lag af nanorods, der bøjer lyset meget anderledes, snarere end ved at skabe en gradvis overgang.
Schubert arbejder sammen med en spinoff-virksomhed for at kommercialisere teknologien, og han forventer, at produkterne kan være tilgængelige om tre til fem år. Teknologien vil møde konkurrence med billige konventionelle belægninger såvel som med andre nye nanostrukturerede materialer. Dette er meget elegant, smukt arbejde, siger Michael Rubner, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved MIT. De har været i stand til at få nogle usædvanligt lave brydningsindeksværdier for en belægning. Nøglespørgsmålet vil altid være omkostninger kontra ydeevne.