Ультрарастяжимые треугольные морщинистые наноструктуры SiO₂/TiO₂ для передовых инфракрасных стелс-технологий

Аннотация

Мы демонстрируем новую инфракрасную стелс-структуру, состоящую из плёнки SiO₂/TiO₂, изготовленную в виде высокорастяжимых треугольных морщинистых структур. Треугольные морщинистые структуры переносились на гибкий субстрат с поверхности Si-субстрата, изготовленного МЭМС-технологией. Затем инфракрасно-отражающая плёнка формировалась в виде треугольных морщинистых структур путём осаждения материалов (благородных металлов (Ag или Au) или многослойных оксидов (SiO₂/TiO₂)) на поверхность гибкого субстрата. Благодаря низкому эффекту отражения от изогнутой поверхности, инфракрасная отражательная способность этих структур была снижена до 5%. И по сравнению с плоской поверхностью, соотношение зеркального отражения к диффузному улучшилось примерно на порядок. Эти структуры могут адаптироваться к среде, меняя отражательную способность треугольных морщинистых структур под растяжением. Наконец, была изготовлена Au-модифицированная инфракрасная стелс-структура в виде массива структур, которая исчезала и снова появлялась при растяжении треугольных морщинистых структур при комнатной температуре. Она обладает высокими соотношениями отражения к диффузии, стабильной повторяемостью, низкой стоимостью и простотой изготовления. Это может открыть возможности для инфракрасного маскировки в военных и разведывательных приложениях.

Введение

Инфракрасная стелс-технология широко используется в компонентах космических аппаратов, маскировочных платформах, защитной одежде, упаковке контейнеров и т.д. Особенно в области военной безопасности и наблюдения, где она может защищать воздушные судна от обнаружения.

В последние годы изучались многие материалы, статически отражающие излучение в инфракрасной области спектра. Wei и др. предложили метаматериальный метод ИК-отражения модуляцией фотообразованной легации носителей. Kocabas и др. продемонстрировали активные поверхностные структуры, управляемые для настройки отражения, передачи и поглощения микроволн. Однако такие новые материалы ограничивались сложными технологиями, ультра-низким производством и высокой стоимостью.

Для оптимизации адаптивности ИК-стелс структур проектировались и изучались многие различные адаптивные ИК-материалы и структуры. Valentine и др. продемонстрировали метаматериальный метод ИК-отражения пространственно-временным контролем эмиссивности метаматериала, модулируемого ультрафиолетовым светом. Однако эта структура активировалась ультрафиолетовым светом, высокими температурами и большими температурными градиентами. Gorodetsky и др. разработали адаптивные ИК-отражающие структуры на основе морщин с низкой рабочей температурой, настраиваемым спектральным диапазоном, быстрым откликом и автономной работой. Однако эта структура требовала активации высоким напряжением ~3 кВ, что трудно реализовать в обычных условиях, особенно для авиации.

В этом исследовании спроектирована и изготовлена новая растяжимая треугольная морщинистая структура как адаптивная ИК-стелс структура. ИК-отражательная способность этой структуры настроена до 5%, а простое изготовление с использованием ИК-отражающих материалов позволяло исчезновению и появлению структуры при деформации треугольных морщин простой механической активации при комнатной температуре.

Методы

Мембраны полидиметилсилоксана (PDMS) (10:1) (Sylgard 184, Dow Corning) готовили спин-коутингом на кремниевых пластинах толщиной 500 мкм с контролем скорости вращения, и немедленно термически обрабатывали при < 80 °C в течение 2 ч.

Серебряная плёнка и чередующиеся слои диоксида титана (TiO₂) и диоксида кремния (SiO₂) осаждали на PDMS субстраты электронно-лучевым испарением по стандартным микрофабрикационным техникам.

Общее отражение, диффузное отражение и общее прохождение характеризировали трансформационным ИК-спектрометром Frontier (Perkin Elmer). Измерения проводили под углом освещения 12° в диапазоне длин волн 2–14 мкм и относительно диффузного золотого стандарта (Pike Technologies).

Топографию треугольной морщинистой структуры характеризировали лазерным сканирующим микроскопом (Model: LEXT OLS4100; Co.: Olympus) и атомно-силовой микроскопией (AFM) (Model: Multimode8; Co.: Bruker). ИК-изображения и видео получали с тепловизионной камерой (FOTRIC 226S) для температуры и эффективного спектрального диапазона 8–14 мкм.

Результаты и обсуждение

Механизм инфракрасной стелс-технологии

Схемы ИК-отражающих структур изображены на Рис. 1. Мы исследовали свойства ИК-отражения на основе треугольной структуры. Модель ИК-стелс смоделирована программным обеспечением Zemax. Когда свет падал на плоскую структуру, большинство падающего света отражалось вдоль определённого направления по закону отражения, как показано на Рис. 1a. Когда свет падал на треугольные структуры, большинство света попадали внутрь треугольных ловушечных структур, и только немного света могло отразиться наружу, как изображено на Рис. 1b. То есть, когда ИК-свет падал в треугольную структуру, большинство ИК-света не обнаруживалось с использованием механизма отражения света. Эта треугольная структура может быть невидимой для ИК-детекционных техник.

Модель ИК-механизма. a Свет падал на плоскую плёнку; b на треугольные структуры

Фабрикация треугольной морщинистой структуры

Как показано на Рис. 2, треугольные морщинистые структуры изготавливались с использованием МЭМС-технологии, о чём сообщалось в нашей предыдущей работе. Сначала положительный фотолечевик наносили спин-коутингом на кремниевую пластину при 3000 об/мин и выдерживали при 105 °C в течение 90 с. Второе, пластину экспонировали дозой 135 мДж/см² с маск-алигнером и выдерживали при 115 °C в течение 120 с для формирования сильных перекрёстных связей. После постепенного охлаждения пластину погружали в позитивный проявитель (40 с). Третье, этравили SiO₂ буферированным оксидным этравантом и Si с помощью 15 вес.% TMAH + 17 об.% изопропилового спирта (22 мин). Четвёртое, слой SiO₂ удаляли фтористоводородной кислотой. Тогда получалась треугольная структура, как показано на Рис. 2a. Пятое, форму PDMS готовили смешиванием жидкого PDMS эластомера и отвердителя в объёмном соотношении 10:1, заливали на Si-форму и термически отвердивали при 80 °C в течение 1,5 ч для получения треугольной структуры на поверхности PDMS субстрата, формируя PDMS-форму. Затем на поверхности PDMS субстрата под кислородной плазмой при 150 Вт в течение 15 с формировался слой SiO_x и гидрофильные группы (например, -OH). Образец затем погружали в раствор SDS на 15 с для введения -SO₃⁻ групп на поверхности треугольной морщинистой PDMS структуры. Этот процесс может ввести конденсационную реакцию гидрофильных функциональностей между PDMS и благородными металлами (Ag, Au) и оксидными материалами (SiO₂, TiO₂), что подробно описано в наших предыдущих работах. Наконец, металлические или оксидные треугольные морщинистые структуры получали осаждением металла или оксида на поверхность PDMS-формы с использованием технологии электронно-лучевого испарения, что детально описано в предыдущих работах.

Процесс фабрикации и морфологическая характеристика треугольных морщинистых структур на субстратах полидиметилсилоксана (PDMS). a Процесс фабрикации Ag (SiO₂/TiO₂)-встроенных треугольных морщинистых структур. b Оптическое изображение. c AFM изображение. d Равномерность периодичности для образцов

Как показано на Рис. 2b–d, периодичность треугольных морщинистых структур была равномерной, и периодичность составляла около (10 ± 0,1) мкм на всей поверхности образца, измеренной атомно-силовой микроскопией. Размер образца составлял около 4 мм × 4 мм. Желаемая периодичность достигалась настройкой размера маск-структур и параметров этравирования, что можно рассчитать, как представлено в наших предыдущих исследованиях.

Тестирование инфракрасной стелс-технологии

В нашей работе металлические треугольные морщинистые структуры были сначала изготовлены для исследования эффекта ИК-отражения. Благодаря высокой пластичности, отличной гибкости, относительно низкой твёрдости и стоимости, материал Ag был выбран для изготовления ИК-отражающей плёнки. Ag треугольные морщинистые структуры изготавливались по процессу Рис. 2a.

До механической активации, когда луч света падал на вершину треугольной ИК-отражательной структуры (Рис. 3a), большая часть ИК-луча (красная линия) диффундировала вершиной (синяя линия) и только немного света могло отразиться (зелёная линия) в детектор. После механической активации поверхность треугольной структуры могла постепенно растягиваться в плоскость, как показано на Рис. 3b. В этом случае большая часть падающего света отражалась в детектор.

Механическая модуляция широкополосного отражения. a Изменение поверхностной морфологии и отражения ИК-света Ag треугольных морщинистых структур до механической активации. b После механической активации. c ИК-спектры отражения Ag треугольных морщинистых структур до механической активации. Общее отражение (красные следы) показаны вместе с их зеркальными (чёрные следы) и диффузными (синие следы) компонентами. d После механической активации. e Графики пиковых значений общего, зеркального и диффузного отражения Ag треугольных морщинистых структур как функций приложенного продольного напряжения. f Тест стабильности Ag треугольных морщинистых структур при растяжении/освобождении более 500 циклов

Соответствующие ИК-спектры доказали вышеуказанные результаты в нашем эксперименте, как показано на Рис. 3c. Как неактивированные треугольные морщинистые структуры, они обладали высокой средней общей отражательной способностью 46 ± 2%, низкой средней зеркальной отражательной способностью < 13% и умеренной средней диффузной составляющей 33 ± 2%. Следовательно, общее отражение имело слабую среднюю зеркальную составляющую 13 ± 2% и доминирующую среднюю диффузную составляющую 33 ± 2%, в соотношении ~ 0,4. После механического растяжения треугольных морщинистых структур (как показано на Рис. 3d), соответствующие ИК-спектры показывали увеличенную среднюю общую отражательную способность 97 ± 1%, высокую среднюю зеркальную отражательную способность 89 ± 1% и низкую среднюю общую диффузную составляющую 8 ± 1%.

По результатам эксперимента отражательная способность увеличилась с 13 до 89% при растяжении треугольных Ag морщинистых структур. Также диффузный свет снизился с 33 до 8%. Причина в том, что треугольные Ag морщинистые структуры растянулись до плоской Ag плёнки. Падающий свет может отражаться под определённым углом от плоской плёнки согласно закону отражения. Благодаря высокой отражательной способности плоской плёнки, общее отражение может достигать 100% в теории, а диффузный свет был лишь небольшим количеством. Учитывая шероховатую поверхность Ag плёнки, отражение снижалось (89%) и диффузный свет увеличивался (8%).

В то же время, по сравнению с морщинистой структурой, диффузный свет снизился с 33 до 8% от плоской плёнки. Причина в том, что шероховатость треугольных Ag морщинистых структур составляла около ~1 мкм, определяемая высотой морщин. Но для плоской Ag плёнки шероховатость составляла около ~20 нм или меньше, что было шероховатостью Ag плёнки. Следовательно, диффузный свет может быть ещё больше снижен оптимизацией технологических параметров электронно-лучевого испарения.

В этом случае общее отражение имело намного большую среднюю зеркальную составляющую 89 ± 1% и меньшую среднюю диффузную составляющую 8 ± 1%, в соотношении ~ 11. Следовательно, соотношения отражения к диффузии были примерно увеличены на порядок на основе треугольных морщинистых структур.

В общем, общее отражение треугольных морщинистых структур на широкой волне увеличивалось как функция напряжения (Рис. 3e). Отражательная способность увеличивалась с напряжением, но диффузный компонент уменьшался при растяжении треугольной Ag морщинистой плёнки до плоской. ИК-отражательные свойства были полностью обратимы при повторной механической активации благодаря высокой растяжимости морщинистых структур. И только незначительная деградация производительности наблюдалась после 500 циклов (Рис. 3f). Таким образом, механическая активация наших треугольных морщинистых структур индуцировала изменение, которое может быть обратимым и динамически модулируемым широкополосным отражением в коротковолновом и длинноволновом ИК-диапазоне.

В общем, по сравнению с широкополосной ИК-технологией, узкополосный ИК-диапазон имеет более высокое отношение сигнал/шум и более легкую трассировку для приложений обнаружения, распознавания и слежения ИК-целей.

Следовательно, для улучшения точности ИК-обнаружения, распознавания и слежения, узкополосный ИК-эффект отражения треугольных морщинистых структур был исследован, как показано на Рис. 4.

Механическая модуляция узкополосного отражения. a Изменение поверхностной морфологии и отражения ИК-света TiO₂/SiO₂ Брегг-стек-модифицированных структур до механической активации. b После механической активации. c ИК-спектры отражения TiO₂/SiO₂ Брегг-стек-модифицированных структур с пиковой интенсивностью отражения при 5 мкм до механической активации. Общее отражение (красные следы) показаны вместе с их зеркальными (чёрные следы) и диффузными (синие следы) компонентами. d После механической активации. e ИК-спектры трёх неактивированных устройств, спроектированных с пиковыми длинами волн отражения 3 мкм (красный след), 4 мкм (синий след) и 5 мкм (чёрный след). f Графики пиковых значений общего, зеркального и диффузного отражения TiO₂/SiO₂ Брегг-стек-модифицированных структур как функций приложенного продольного напряжения

Для получения узкополосного пика ИК-отражения, чередующиеся слои TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂ с толщинами λ_peak/(4 × n_TiO2) и λ_peak/(4 × n_SiO2) были спроектированы. Структуры изготавливались согласно стандартным литографическим протоколам, как показано на Рис. 2a. TiO₂/SiO₂ Брегг-стек с пиковой интенсивностью отражения при 5 мкм производился с толщиной SiO₂ 0,933 мкм и толщиной TiO₂ 0,543 мкм системой Angstrom Engineering EvoVac. Узкополосные ИК-отражательные структуры на основе треугольных морщинистых структур состояли из двухслойного SiO₂ и трёхслойного TiO₂. Размер узкополосных ИК-отражательных структур на основе треугольных морщинистых структур составлял около 4 мм × 4 мм.

В наших работах, до механической активации, узкополосные ИК-отражательные структуры на основе треугольных морщинистых структур, ИК-спектры показывали интенсивности общего отражения 18 ± 2% на длине волны 5 мкм, со слабой средней зеркальной составляющей 5 ± 2% и средней диффузной составляющей 13 ± 2%, в соотношении ~ 0,38, как показано на Рис. 4c.

После механической активации интенсивности общего отражения увеличивались до 63 ± 4% на длине волны 5 мкм, с намного большей зеркальной составляющей 50 ± 3% и почти неизменной диффузной составляющей 13 ± 2% в соотношении ~ 3,8 (как показано на Рис. 4d). Этот результат был согласован с Ag-модифицированной отражательной плёнкой на основе треугольных морщинистых структур. Отражательная способность увеличилась с 5 до 63% по причине того, что треугольные TiO₂/SiO₂ многослойные морщинистые структуры растянулись до плоской плёнки. Падающий ИК-свет мог отражаться под определённым углом от плоской плёнки для улучшения отражательной способности.

Аналогично, для узкополосной ИК-отражательной структуры на основе треугольных морщинистых структур, соотношения отражения к диффузии снижались примерно на порядок на длине волны 5 мкм. Также те же результаты можно доказать на длинах волн 3, 4 и 5 мкм (из-за изменения толщины TiO₂ и SiO₂), как показано на Рис. 4e.

В общем, общее отражение треугольных морщинистых структур на узкополосной волне увеличивалось как функция напряжения (Рис. 4f). Отражение увеличивалось с напряжением, но диффузные компоненты оставались относительно неизменными. Причина в том, что шероховатость треугольных морщинистых структур и плоской плёнки была примерно одинакового размера. Высота морщин снижалась с ~1 мкм до ~200 нм при покрытии TiO₂ или SiO₂ плёнкой. Потому что угол между двумя треугольными структурами покрывал больше плёнки, чем другие области, что снижало высоту TiO₂/SiO₂ многослойных морщинистых структур. Чем больше толщина плёнки увеличивалась, тем больше высота снижалась. В то время как для TiO₂/SiO₂ плоской плёнки шероховатость составляла около ~50 нм, вызванную худшим качеством оксида, чем металла, используя МЭМС-технологию.

Демонстрация примеров применения

Как концептуальное доказательство ИК-стелс треугольных морщинистых структур, мы оценили наши ИК-стелс структуры для скрытия под ИК-визуализацией.

Мы спроектировали и изготовили Au-модифицированную ИК-отражательную плёнку с трехнатрих массивами структур. Размер образца составлял 5 см × 5 см и изображениялся тепловизионной камерой, как показано на Рис. 5a. Трехнатрих массивы структур служили маркером, составленным из PDMS-нанодиамантных композитных материалов, имеющих высокие ИК-пропускание материалы, как показано на Рис. 5b.

Обратимый стелс Au-модифицированных структур в ИК. a Схемы Au-модифицированных структур под постоянным тепловым потоком (слева) до и (справа) после механической активации. b Оптическое изображение Au-модифицированных структур. c Микроскопические морфологические характеристики треугольных морщинистых структур с увеличением напряжения. d Соответствующие ИК-камерные изображения тех же Au-модифицированных структур с увеличением напряжения

До механической активации треугольные Au-модифицированные морщинистые структуры чётко наблюдались лазерной сканирующей конфокальной микроскопией, как показано во вставке на Рис. 5c (слева). Из сечения вставки треугольная структура видна чётко. И соответствующее ИК-изображение показано на Рис. 5d (слева). Без активации был только общий контур Au-модифицированных плёночных структур. По мере увеличения напряжения от 0 до 60%, треугольная морщинистая структура растянулась, став плоской, и высота уменьшилась до нуля, что наблюдалось лазерной сканирующей конфокальной микроскопией. И соответствующее ИК-изображение показало, что Au-модифицированные плёночные структуры постепенно становятся красными из-за увеличенной ИК-отражательной способности. И трехнатрих массивы структур возникали как отверстие. Следовательно, результаты доказывают ИК-стелс эффект треугольных морщинистых структур с преимуществами повторяемости, стабильности и полной обратимости.

Заключение

Мы исследовали ИК-стелс свойства модифицированных благородными металлами (Au и Ag) и металлическими оксидами (TiO₂/SiO₂) растяжимых треугольных морщинистых структур.

Во-первых, ИК-отражательная способность этих структур была настроена от 50 до 5%, а соотношения отражения к диффузии динамически модулировались примерно на порядок. Во-вторых, наши представленные структуры обладают возможностями для адаптивных ИК-маскировочных технологий на широкой и узкой полосе длин волн. В-третьих, структуры были просто интегрированы и обладали стабильностью при повторных циклах. В-четвёртых, структуры позволяют новые автономные портативные технологии под простой механистической активацией при комнатной температуре. В конечном счёте, описанные структуры могут дать новые возможности для ИК-маскировки, применяемой в области военной безопасности и наблюдения.

Аббревиатуры

AFM:

Атомно-силовая микроскопия

PDMS:

Полидиметилсилоксан