Сильно растягиваемые структуры микро / нано морщин для невидимых инфракрасных лучей

Фон

Инфракрасная стелс-технология широко используется в области компонентов космических аппаратов [1], камуфляжных платформ [2], защитной одежды [3], упаковки контейнеров [4] и так далее [5,6,7]. Особенно в области военной безопасности и военного наблюдения, которые могут защитить самолет от обнаружения.

В последнее время были изучены многие материалы, статически отражающие излучение в инфракрасной области электромагнитного спектра [8,9,10]. Wei et al. [11] предложили метод отражения инфракрасного излучения на основе метаматериалов путем модуляции фотогенерируемого легирования носителя. Kocabas et al. [12] демонстрируют структуры активных поверхностей, которыми можно управлять для настройки отражения, пропускания и поглощения микроволн. Однако создание этого нового материала ограничивалось сложной технологией, сверхнизким производством и высокой стоимостью.

Чтобы оптимизировать адаптивность инфракрасных невидимых структур, было разработано и изучено множество различных адаптивных инфракрасных материалов и структур [13,14,15]. Valentine et al. [16] продемонстрировали основанный на метаматериале метод отражения инфракрасного излучения путем пространственно-временного управления излучательной способностью метаматериала, который модулируется ультрафиолетовым светом. Однако эта структура была задействована ультрафиолетовым светом, высокими температурами и большими температурными градиентами. Городецкий и др. [17] разработали адаптивные инфракрасные отражающие структуры на основе структуры морщин с особенностями низкой рабочей температуры, настраиваемого спектрального диапазона, быстрого отклика и автономной работы. Однако эта конструкция должна приводиться в действие высоким напряжением около 3 кВ, чего трудно достичь в обычных условиях, особенно для самолетов.

В этом исследовании была разработана и изготовлена ​​новая растягиваемая треугольная структура морщин, которая представляет собой адаптивную инфракрасную невидимую структуру. Коэффициент отражения инфракрасного излучения этой структуры был настроен на 5%, а простое изготовление с использованием материалов, отражающих инфракрасное излучение, исчезло, а затем отображалось с деформацией треугольных структур морщин при простом механическом воздействии при комнатной температуре.

Методы

Мембраны из полидиметилсилоксана (ПДМС) (10:1) (Sylgard 184, Dow Corning) были приготовлены методом центрифугирования на кремниевых пластинах толщиной 500 мкм, контролируя скорость вращения, и отверждены сразу после центрифугирования при температуре менее 80 ° C в течение 2 ч. [18].

Серебряная пленка и чередующиеся слои диоксида титана (TiO ₂ ) и диоксид кремния (SiO ₂ ) были нанесены на подложки PDMS методом электронно-лучевого напыления в соответствии со стандартными методами микротехнологии.

Полный коэффициент отражения, коэффициент диффузного отражения и общий коэффициент пропускания наших структур были охарактеризованы с помощью инфракрасного спектрометра с преобразованием Frontier (Perkin Elmer). Измерения проводились при угле освещения 12 ° в диапазоне длин волн от 2 до 14 мкм и со ссылкой на диффузный золотой стандарт (Pike Technologies).

Топографию треугольной структуры морщин характеризовали с помощью лазерного сканирующего микроскопа (модель:LEXT OLS4100; Co:Olympus) и атомно-силового микроскопа (AFM) (модель:Multimode8; Co:Bruker). Инфракрасные изображения и видео были получены с помощью тепловизора (FOTRIC 226S) для измерения температуры и эффективного спектрального диапазона от длин волн от 8 до 14 мкм.

Результаты и обсуждение

Механизм инфракрасной невидимости

Схема структур, отражающих инфракрасное излучение, изображена на рис. 1. Мы исследовали свойства отражения инфракрасного излучения на основе треугольной структуры. Модель инфракрасной невидимости моделировалась программой Zemax. Поскольку свет падал на плоскую конструкцию, большая часть падающего света отражалась бы в определенном направлении в соответствии с законом отражения, как показано на рис. 1а. Когда свет падал на треугольные структуры, большая часть света попадает внутрь треугольных ловушек, и только свет подстилки может отражаться от треугольных структур, как показано на рис. 1b. То есть, поскольку инфракрасный свет падал на треугольную структуру, большая часть инфракрасного света не могла быть обнаружена с помощью механизма отражения света. Эта треугольная структура может быть невидимой для инфракрасного обнаружения.

Модель инфракрасного механизма. а На плоскую пленку падал свет; б на треугольных конструкциях

Изготовление треугольной структуры морщин

Как показано на рис. 2, треугольные морщинистые структуры были изготовлены с использованием технологии MEMS, о которой сообщалось в нашей предыдущей работе [19]. Сначала положительный фоторезист наносили центрифугированием на кремниевую пластину при 3000 рад / мин и прокаливали при 105 ° C в течение 90 с. Во-вторых, пластина подвергалась воздействию дозы 135 мДж / см ² . с выравнивателем маски и прокаливания при 115 ° C в течение 120 с для образования прочных сшивок. После того, как пластина постепенно остыла, структура была погружена в позитивный проявитель (40 с). В-третьих, протравить SiO ₂ с использованием буферного оксидного травления и травления Si с использованием 15 мас.% ТМАГ + 17 об.% изопропилового спирта (22 мин). В-четвертых, SiO ₂ слой был удален плавиковой кислотой. Затем была получена треугольная структура, показанная на рис. 2а [6]. В-пятых, пресс-форма из ПДМС была приготовлена ​​путем смешивания жидкого эластомера ПДМС и отвердителя в соотношении по объему 10:1, которую вылили на кремниевую форму и подвергли термическому отверждению при 80 ° C в течение 1,5 ч для получения треугольной структуры на поверхности. поверхность подложки PDMS для формирования формы PDMS. Затем SiO _x слой и гидрофильные группы (например, -ОН) были сформированы на поверхности подложки PDMS при обработке кислородной плазмой при 150 Вт в течение 15 с. Затем образец был погружен в раствор SDS на 15 с для введения -SO ₃ ^- группы на поверхности треугольной морщинистой структуры ПДМС. Этот процесс может вызвать реакцию конденсации гидрофильных функциональных групп между PDMS и благородными металлами (Ag, Au) и оксидными материалами (SiO ₂ , TiO ₂ ), о которых подробно сообщалось в нашей предыдущей работе [20,21,22]. Наконец, металлическая или оксидная треугольная морщинистая структура была получена путем нанесения металлического или оксидного покрытия на поверхность формы из PDMS с использованием технологии электронно-лучевого напыления, о которой подробно сообщалось в нашей предыдущей работе [20,21,22].

Процесс изготовления и характеристика морфологии треугольных структур морщин на подложках из полидиметилсилоксана (ПДМС). а Процесс изготовления Ag (SiO ₂ / TiO ₂ ) -внедренные треугольные морщинистые структуры. б Оптическое изображение. c Изображение AFM. г Равномерность периодичности для выборок

Как показано на рис. 2b – d, периодичность треугольных морщинных структур была равномерной, а периодичность составляла около (10 ± 0,1) мкм на всей поверхности образца, испытанного методом атомно-силовой микроскопии. А размер образца был около 4 мм × 4 мм. Желаемая периодичность была достигнута путем настройки размера структур маски и параметров травления, которые можно рассчитать, как это было сделано в наших предыдущих исследованиях [19].

Тестирование невидимости в инфракрасном диапазоне

В нашей работе сначала были изготовлены металлические треугольные морщинистые структуры для исследования эффекта отражения инфракрасного излучения. Из-за высокой пластичности, отличной изгибаемости и относительно низкой твердости и стоимости для изготовления пленки, отражающей инфракрасное излучение, были выбраны металлические материалы Ag. Структуры треугольных морщин из серебра были изготовлены в соответствии с процессом, показанным на рис. 2а.

Перед механическим срабатыванием, когда луч света падает на наконечник треугольной отражающей инфракрасной структуры (рис. 3a), большая часть инфракрасных лучей (красная линия) рассеивается наконечником (синяя линия) и только немного света. может отражаться (зеленая линия) в детектор. В то время как после механического приведения в действие поверхность треугольной структуры может постепенно растягиваться до плоскости, как показано на фиг. 3b. В этом случае большая часть падающего света будет отражаться в детектор.

Механическая модуляция широкополосного отражения. а Изменение морфологии поверхности и отражение инфракрасного света треугольных складчатых структур Ag до механического срабатывания. б После механического срабатывания. c Спектры инфракрасного отражения треугольных структур морщин Ag до механического срабатывания. Показан общий коэффициент отражения (красные кривые) вместе с их отражательной (черные трассы) и диффузной (синие трассы) составляющими. г После механического срабатывания. е Графики полного отражения, отражения и диффузного пикового коэффициента отражения треугольных морщин из серебра в зависимости от приложенной деформации длины. е Испытание на стабильность треугольных структур морщин Ag с растяжением / отпусканием более 500 циклов

Соответствующие инфракрасные спектры подтвердили вышеуказанные результаты в нашем эксперименте, как показано на рис. 3c. В качестве неактивированных треугольных морщин он имел высокий средний общий коэффициент отражения 46 ± 2%, низкий средний коэффициент отражения <13% и средний средний рассеянный свет 33 ± 2%. Следовательно, общий коэффициент отражения характеризовался слабым средним отражением 13 ± 2% и доминирующей средней диффузной составляющей 33 ± 2% в соотношении ~ 0,4. После механического растяжения треугольных структур морщин (как показано на рис. 3d) соответствующие инфракрасные спектры показали повышенный средний общий коэффициент отражения 97 ± 1%, высокий средний коэффициент отражения 89 ± 1% и низкий средний общий рассеянный свет 8 ± 1%.

По результатам эксперимента коэффициент отражения увеличился с 13 до 89% при растяжении треугольных структур складок из серебра. Кроме того, рассеянный свет был уменьшен с 33 до 8%. Причина заключалась в том, что треугольные морщинистые структуры из серебра были вытянуты в плоскостную пленку из серебра. Падающий свет может отражаться под определенным углом от плоской пленки по закону отражения. Из-за высокой отражательной способности плоской пленки общий коэффициент отражения теоретически может достигать 100%, а рассеянный свет был лишь небольшим количеством. Учитывая шероховатую поверхность пленки Ag, отражение будет уменьшено (89%), а рассеянный свет увеличится (8%).

Между тем, по сравнению со структурой морщин, рассеянный свет уменьшился с 33 до 8% от плоской пленки. Причина заключалась в том, что шероховатость треугольных структур морщин Ag составляла около ~ 1 мкм, что зависело от высоты морщин. Но для пленки Ag-плоскости шероховатость составляла около 20 нм или меньше, что соответствует шероховатости пленки Ag. Следовательно, рассеянный свет можно дополнительно уменьшить за счет оптимизации технологических параметров электронно-лучевого испарения.

В этом случае общий коэффициент отражения показал гораздо большее среднее отражение (89 ± 1%) и меньшую среднюю составляющую рассеянного света (8 ± 1%) в соотношении ~ 11. Следовательно, отношения отражения к диффузному были приблизительно равны. увеличились на порядок за счет треугольных структур морщин.

В общем, общий коэффициент отражения треугольных морщин на широкополосной длине волны увеличивается как функция деформации (рис. 3e). Отражательная способность увеличивалась с деформацией, но диффузная уменьшалась, поскольку треугольная складчатая пленка Ag растягивалась до плоской. Свойства отражения инфракрасного излучения были полностью обратимы при многократном механическом воздействии, что способствовало высокой растяжимости структур морщин. И только незначительное снижение производительности наблюдалось после 500 циклов (рис. 3f). Таким образом, механическое срабатывание наших треугольных структур морщин вызвало изменение, которое может быть обратимым и динамически модулировать широкополосную отражательную способность в коротковолновой и длинноволновой инфракрасной области.

В целом, по сравнению с широкополосной инфракрасной технологией, узкая инфракрасная полоса имеет более высокое отношение сигнал / шум и более простую прослеживаемость для приложений обнаружения, распознавания и отслеживания инфракрасных целей.

Следовательно, чтобы повысить точность технологии обнаружения, распознавания и сопровождения целей в инфракрасном диапазоне, был исследован эффект узкополосного инфракрасного отражения треугольных морщин, как показано на рис. 4.

Механическая модуляция узкополосной отражательной способности. а Изменение морфологии поверхности и отражение инфракрасного света TiO ₂ / SiO ₂ Структуры, модифицированные стеком Брэгга, до механического срабатывания. б После механического срабатывания. c Спектры инфракрасного отражения TiO ₂ / SiO ₂ Структуры, модифицированные стеком Брэгга, с максимальной интенсивностью отражения на 5 мкм до механического срабатывания. Показан общий коэффициент отражения (красные кривые) вместе с их отражательной (черные трассы) и диффузной (синие трассы) составляющими. г После механического срабатывания. е Инфракрасные спектры трех не задействованных устройств, которые были разработаны, чтобы иметь максимальную длину волны отражения 3 мкм (красная кривая), 4 мкм (синяя кривая) и 5 ​​мкм (черная кривая). е Графики полного отражения, отражения и диффузного пикового отражения TiO ₂ / SiO ₂ Структуры с модифицированным стеком по Брэггу в зависимости от приложенной деформации длины

Для получения узкополосного пика инфракрасного отражения чередование TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ слои толщиной λ _peak / (4 × п _TiO2 ) и λ _пик / (4 × п _SiO2 ) были разработаны. Структуры были изготовлены в соответствии со стандартными литографическими протоколами, как показано на рис. 2а. TiO ₂ / SiO ₂ Брэгговские стопки с пиковой интенсивностью отражения при 5 мкм были изготовлены из SiO ₂ толщина составляла 0,933 мкм, а TiO ₂ Толщина составила 0,543 мкм по системе Angstrom Engineering EvoVac. Узкополосные структуры, отражающие инфракрасное излучение, состоят из двухслойного SiO ₂ и трехслойный TiO ₂ . А размер узкополосных инфракрасных отражающих структур на основе треугольных морщин составлял около 4 мм × 4 мм.

В наших работах до механического срабатывания узкополосных структур инфракрасного отражения на основе треугольных морщинных структур в инфракрасных спектрах были обнаружены суммарные интенсивности отражения 18 ± 2% на длине волны 5 мкм при слабом среднем отражении 5 ± 2%. и средний диффузный компонент 13 ± 2% в соотношении ~ 0,38, как показано на рис. 4c.

После механического срабатывания суммарные интенсивности отражения увеличились до 63 ± 4% на длине волны 5 мкм, с гораздо большей составляющей отражения (50 ± 3%) и почти неизменной диффузной составляющей 13 ± 2% в соотношении ~ 3,8. (как показано на рис. 4d). Этот результат согласуется с отражающей пленкой, модифицированной серебром, на основе треугольной морщинистой структуры. Коэффициент отражения увеличился с 5 до 63% из-за того, что треугольный TiO ₂ / SiO ₂ многослойные морщинистые структуры растянуты до плоской пленки. Падающий инфракрасный свет может отражаться под определенным углом от плоской пленки для улучшения отражательной способности.

Точно так же для узкополосной инфракрасной отражающей структуры на основе треугольных морщин отношения отражения к диффузному уменьшению примерно на один порядок величины на длине волны 5 мкм. Также те же результаты могут быть получены на длинах волн 3, 4 и 5 мкм (из-за изменения толщины TiO ₂ и SiO ₂ ), как показано на рис. 4д.

В целом, общий коэффициент отражения треугольных морщин на широкополосной длине волны увеличивается как функция деформации (рис. 4f). Отражение увеличивалось с деформацией, но диффузные компоненты оставались относительно неизменными. Причина заключалась в том, что шероховатость треугольной морщинистой структуры и плоской пленки была примерно одинакового размера. Высота морщин была уменьшена с ~ 1 мкм до ~ 200 нм за счет покрытия TiO ₂ или SiO ₂ фильм. Поскольку угол между двумя треугольными структурами будет покрывать больше пленки, чем остальная область, это уменьшит высоту TiO ₂ / SiO ₂ многослойные пленки морщинистых структур. Чем больше увеличивалась толщина пленки, тем больше уменьшалась высота. А для TiO ₂ / SiO ₂ На плоской пленке шероховатость составила ~ 50 нм из-за худшего качества оксида, чем у металла, полученного при использовании технологии MEMS.

Демонстрация примеров приложений

В качестве доказательства концепции инфракрасной невидимости треугольных структур морщин мы оценили наши инфракрасные невидимые структуры, позволяющие скрыть себя при инфракрасной визуализации.

Мы разработали и изготовили модифицированную Au пленку, отражающую инфракрасное излучение, с матричными структурами три на три. Размер образца составлял 5 см × 5 см, изображение было получено тепловой инфракрасной камерой, как показано на рис. 5а. Матричные структуры размером три на три служили этикеткой, состоящей из композитных материалов ПДМС-наноалмаз, которые имеют материалы с высоким пропусканием инфракрасного излучения, как показано на рис. 5b.

Обратимая невидимость структур, модифицированных Au, в инфракрасном диапазоне. а Схемы структур, модифицированных Au, при постоянном тепловом потоке (слева) до и (справа) после механического воздействия. б Оптическое изображение структур, модифицированных Au. c Микроскопические морфологические характеристики треугольных структур морщин при увеличении деформации. г Соответствующие изображения с инфракрасной камеры тех же структур, модифицированных Au, при увеличении деформации

Перед механическим воздействием треугольные структуры морщин, модифицированные золотом, четко наблюдались с помощью лазерной сканирующей конфокальной микроскопии, как показано на вставке на рис. 5c (слева). На разрезе на врезке хорошо видна треугольная структура. Соответствующее инфракрасное изображение может быть показано на рис. 5d (слева). Без срабатывания был только общий контур пленочных структур, модифицированных Au. Когда деформация увеличивалась от 0 до 60%, треугольная структура морщин растягивалась и становилась плоской, а высота уменьшалась до нуля, что наблюдалось с помощью лазерной сканирующей конфокальной микроскопии. Соответствующее инфракрасное изображение показало, что модифицированные Au пленочные структуры постепенно становятся красными из-за повышенной отражательной способности инфракрасного излучения. И структура массивов три на три превращалась в дыру. Таким образом, результаты подтверждают скрытый инфракрасный эффект треугольных структур морщин с преимуществом повторяемости, стабильности и полной обратимости.

Выводы

Мы исследовали невидимые в инфракрасном диапазоне свойства благородных металлов (Au и Ag) и оксидов металлов (TiO ₂ / SiO ₂ ) -модифицированные растяжимые треугольные структуры морщин.

Во-первых, инфракрасная отражательная способность этих структур была настроена от 50 до 5%, а отношения отражения к диффузному динамически модулировались примерно на порядок. Во-вторых, представленные нами конструкции обладают возможностями для технологий адаптивной инфракрасной маскировки в широкополосной и узкополосной длинах волн. В-третьих, конструкции были легко интегрированы и отличались устойчивостью к повторяющимся циклам. Наконец, конструкции позволяют использовать новые автономные портативные технологии с простым механическим срабатыванием при комнатной температуре. В конечном итоге описанные конструкции могут открыть новые возможности для инфракрасного камуфляжа, применяемого в области военной безопасности и наблюдения.

Сокращения

AFM:

Атомно-силовой микроскоп

PDMS:

Полидиметилсилоксан