Estructuras de micro / nano arrugas altamente estirables para aplicaciones de sigilo infrarrojo

Modulación mecánica de la reflectancia de banda ancha. un El cambio en la morfología de la superficie y el reflejo de la luz infrarroja de las estructuras de arrugas triangulares de Ag antes del accionamiento mecánico. b Después de accionamiento mecánico. c Los espectros de reflectancia infrarroja de las estructuras de arrugas triangulares de Ag antes de la actuación mecánica. La reflectancia total (trazos rojos) se muestra junto con sus componentes de reflexión (trazos negros) y difusa (trazos azules). d Después de accionamiento mecánico. e Gráficos de la reflectancia máxima total, de reflexión y de pico difuso de las estructuras de arrugas triangulares de Ag como funciones de la deformación de longitud aplicada. f Prueba de estabilidad de las estructuras de arrugas triangulares de Ag con estiramiento / liberación de más de 500 ciclos

Los correspondientes espectros infrarrojos han demostrado los resultados anteriores en nuestro experimento como se muestra en la Fig. 3c. Como estructuras de arrugas triangulares no activadas, presentaba una reflectancia total promedio alta de 46 ± 2%, una reflexión promedio baja de <13% y una luz difusa promedio moderada de 33 ± 2%. Por lo tanto, la reflectancia total presentó una reflexión promedio débil de 13 ± 2% y un componente difuso promedio dominante de 33 ± 2%, en una proporción de ~ 0.4. Después de estirar mecánicamente las estructuras de arrugas triangulares (como se muestra en la Fig. 3d), los espectros infrarrojos correspondientes presentaban una reflectancia total promedio aumentada de 97 ± 1%, una reflexión promedio alta de 89 ± 1% y una luz difusa total promedio baja de 8 ± 1%.

A partir de los resultados del experimento, la reflectividad aumentó del 13 al 89% con el estiramiento de las estructuras de arrugas triangulares de Ag. Además, la luz difusa se ha reducido del 33 al 8%. La razón fue que las estructuras de arrugas triangulares de Ag se han estirado para ser una película plana de Ag. La luz incidente puede reflejarse a lo largo de un cierto ángulo desde la película plana siguiendo la ley de reflexión. Debido a la alta reflectividad de la película plana, la reflectancia total puede ser de hasta el 100% en teoría y la luz difusa fue solo una pequeña cantidad. Teniendo en cuenta la superficie rugosa de la película de Ag, la reflexión se reduciría (89%) y la luz difusa aumentaría (8%).

Mientras tanto, en comparación con la estructura de las arrugas, la luz difusa se redujo del 33 al 8% de la película plana. La razón fue que la rugosidad de las estructuras de las arrugas triangulares de Ag era aproximadamente ~ 1 μm dependiente de la altura de las estructuras de las arrugas. Pero para la película del plano de Ag, la rugosidad fue de aproximadamente ~ 20 nm o menos, que era la rugosidad de la película de Ag. Por lo tanto, la luz difusa se puede reducir aún más optimizando el parámetro tecnológico de la evaporación del haz de electrones.

En este caso, la reflectancia total presentó una reflexión promedio mucho mayor de 89 ± 1% y una componente de luz difusa promedio más pequeña de 8 ± 1%, en una proporción de ~ 11. Por lo tanto, las relaciones de reflexión a difusa han sido aproximadamente aumentó un orden de magnitud basado en estructuras de arrugas triangulares.

En general, la reflectancia total de las estructuras de arrugas triangulares en la longitud de onda de banda ancha aumentó en función de la deformación (Fig. 3e). La reflectividad aumentó con la deformación, pero la difusa se redujo, al estirar la película de Ag arrugada triangular para que quede plana. Las propiedades de reflexión de infrarrojos fueron completamente reversibles con la activación mecánica repetida, lo que contribuyó a la propiedad altamente elástica de las estructuras de arrugas. Y solo se ha observado una degradación menor del rendimiento después de 500 ciclos (Fig. 3f). Por lo tanto, la actuación mecánica de nuestras estructuras de arrugas triangulares indujo un cambio, que puede ser reversible y modulado dinámicamente de la reflectancia de banda ancha dentro de la región infrarroja de longitud de onda corta a larga.

En general, en comparación con la tecnología de infrarrojos de banda ancha, la banda de infrarrojos estrecha tiene la relación señal-ruido más alta y una trazabilidad más fácil para la aplicación de detección, discernimiento y seguimiento de objetivos por infrarrojos.

Por lo tanto, para mejorar la precisión de la tecnología infrarroja de detección, discernimiento y seguimiento de objetivos, se ha investigado el efecto de reflexión infrarroja de banda estrecha de las estructuras de arrugas triangulares como se muestra en la Fig. 4.

Modulación mecánica de la reflectancia de banda estrecha. un El cambio en la morfología de la superficie y el reflejo de la luz infrarroja de un TiO ₂ / SiO ₂ Estructuras modificadas de la pila de Bragg antes del accionamiento mecánico. b Después de accionamiento mecánico. c Los espectros de reflectancia infrarroja de un TiO ₂ / SiO ₂ Estructuras modificadas por pila de Bragg con una intensidad de reflectancia máxima a 5 μm antes de la actuación mecánica. La reflectancia total (trazos rojos) se muestra junto con sus componentes de reflexión (trazos negros) y difusa (trazos azules). d Después de accionamiento mecánico. e Los espectros infrarrojos de tres dispositivos no activados que han sido diseñados para presentar longitudes de onda de reflectancia máxima de 3 μm (trazo rojo), 4 μm (trazo azul) y 5 μm (trazo negro). f Gráficos de la reflectancia máxima total, de reflexión y difusa del TiO ₂ / SiO ₂ Estructuras modificadas por apilamiento de Bragg como funciones de la deformación de longitud aplicada

Para obtener un pico de reflectancia infrarroja de banda estrecha, alternando TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ capas con espesores de λ _pico / (4 × n _TiO2 ) y λ _pico / (4 × n _SiO2 ) han sido diseñados. Las estructuras se fabricaron de acuerdo con protocolos litográficos estándar como se muestra en la Fig. 2a. El TiO ₂ / SiO ₂ Se produjeron pilas de Bragg con una intensidad de reflectancia máxima a 5 μm con el SiO ₂ el espesor fue de 0,933 μm y el TiO ₂ El espesor fue de 0,543 μm mediante un sistema EvoVac de Angstrom Engineering. Las estructuras de reflexión de infrarrojos de banda estrecha constan de SiO ₂ de dos capas y TiO ₂ de tres capas . Y el tamaño de las estructuras de reflexión de infrarrojos de banda estrecha basadas en las estructuras de arrugas triangulares era de aproximadamente 4 mm × 4 mm.

En nuestros trabajos, antes de la actuación mecánica, las estructuras de reflexión de infrarrojos de banda estrecha basadas en las estructuras de arrugas triangulares, los espectros de infrarrojos presentaban intensidades de reflectancia total de 18 ± 2% a una longitud de onda de 5 μm, con una reflexión promedio débil de 5 ± 2%. y un componente difuso promedio de 13 ± 2%, en una proporción de ~ 0.38, como se muestra en la Fig. 4c.

Después de la actuación mecánica, las intensidades de reflectancia total aumentaron hasta 63 ± 4% a una longitud de onda de 5 μm, con un componente de reflexión mucho mayor de 50 ± 3% y un componente difuso casi sin cambios de 13 ± 2% en una proporción de ~ 3.8 (como se muestra en la Fig. 4d). Este resultado fue consistente con la película reflectante modificada con Ag basada en las estructuras de arrugas triangulares. La reflectividad aumentó del 5 al 63% debido a las razones por las que el TiO ₂ triangular / SiO ₂ Las estructuras de arrugas de múltiples capas se han estirado para formar una película plana. La luz infrarroja incidente puede reflejarse a lo largo de un cierto ángulo desde la película plana para mejorar la reflectividad.

De manera similar, para la estructura de reflectividad infrarroja de banda estrecha basada en las estructuras de arrugas triangulares, las relaciones de reflexión a difusión se redujeron aproximadamente en un orden de magnitud a una longitud de onda de 5 μm. Además, se pueden demostrar los mismos resultados en las longitudes de onda de 3, 4 y 5 μm (debido al cambio de espesor del TiO ₂ y SiO ₂ ), como se muestra en la Fig. 4e.

En general, la reflectancia total de las estructuras de arrugas triangulares en la longitud de onda de banda ancha aumentó en función de la deformación (Fig. 4f). La reflexión aumentó con la tensión, pero los componentes difusos permanecieron relativamente inalterados. La razón fue que la rugosidad de las estructuras de arrugas triangulares y la película plana era aproximadamente del mismo tamaño. La altura de las estructuras de las arrugas se redujo de ~ 1 μm a ~ 200 nm cubriendo el TiO ₂ o SiO ₂ película. Porque la esquina entre dos estructuras triangulares cubriría más película que otra área, lo que reduciría la altura de TiO ₂ / SiO ₂ Estructuras de arrugas de película multicapa. Cuanto más aumenta el espesor de la película, más se reduce la altura. Mientras que para el TiO ₂ / SiO ₂ película plana, la rugosidad fue de aproximadamente ~ 50 nm causada por la peor calidad del óxido que del metal que utiliza la tecnología MEMS.

Demostración de ejemplos de aplicaciones

Como prueba de concepto para el sigilo infrarrojo de estructuras triangulares de arrugas, evaluamos nuestras estructuras furtivas infrarrojas para ocultarse bajo la visualización infrarroja.

Diseñamos y fabricamos una película reflectante infrarroja modificada con Au con estructuras de matrices de tres por tres. El tamaño de la muestra fue de 5 cm x 5 cm y se tomó la imagen de una cámara termográfica infrarroja, como se muestra en la Fig. 5a. Las estructuras de matrices de tres por tres sirvieron como etiqueta compuesta de materiales compuestos de nanodiamante PDMS, que tienen materiales de alta transmisión de infrarrojos, como se muestra en la Fig. 5b.

Sigilo reversible de estructuras modificadas con Au en el infrarrojo. un Esquemas de estructuras modificadas con Au bajo un flujo térmico constante (izquierda) antes y (derecha) después del accionamiento mecánico. b Imagen óptica de estructuras modificadas con Au. c Las características morfológicas microscópicas de las estructuras de arrugas triangulares con el aumento de la deformación. d Las imágenes de la cámara infrarroja correspondientes de las mismas estructuras modificadas con Au con el aumento de la tensión

Antes de la actuación mecánica, las estructuras de arrugas triangulares modificadas con Au se observaron claramente mediante microscopía confocal de barrido láser como se muestra en el recuadro de la Fig. 5c (izquierda). Desde la vista en sección del recuadro, se puede ver claramente la estructura triangular. Y la imagen infrarroja correspondiente se puede mostrar en la Fig. 5d (izquierda). Sin activación, solo había un esquema general de las estructuras de película modificadas con Au. A medida que la deformación aumentó de 0 a 60%, la estructura triangular de la arruga se estiró para volverse plana y la altura disminuyó a cero, lo que se observó mediante microscopía confocal de barrido láser. Y la imagen infrarroja correspondiente ha demostrado que las estructuras de la película modificadas con Au se vuelven rojas gradualmente debido al aumento de la reflectividad infrarroja. Y la estructura de matrices de tres por tres se estaba convirtiendo en un agujero. Por lo tanto, los resultados demuestran el efecto sigiloso infrarrojo de las estructuras de arrugas triangulares con la ventaja de repetibilidad, estabilidad y reversibilidad total.

Conclusiones

Hemos examinado las propiedades de sigilo infrarrojo del metal noble (Au y Ag) y el óxido metálico (TiO ₂ / SiO ₂ ) -Estructuras de arrugas triangulares extensibles modificadas.

Primero, la reflectividad infrarroja de estas estructuras se ha ajustado del 50 al 5% y las relaciones de reflexión a difusión moduladas dinámicamente en aproximadamente un orden de magnitud. En segundo lugar, nuestras estructuras presentadas cuentan con capacidades para tecnologías de camuflaje infrarrojo adaptativo en la longitud de onda de banda ancha y banda estrecha. En tercer lugar, las estructuras se han integrado de forma sencilla y presentan estabilidad para ciclos repetidos. Por último, las estructuras permiten nuevas tecnologías portátiles autónomas bajo un simple accionamiento mecánico a temperatura ambiente. En última instancia, las estructuras descritas pueden ofrecer nuevas posibilidades para el camuflaje infrarrojo aplicado en el campo de la seguridad y la vigilancia militares.

Abreviaturas

AFM:

Microscopio de fuerza atómica

PDMS:

Polidimetilsiloxano

Síntesis selectiva de fase de nanopartículas CIGS con fases metaestables a través de la composición del disolvente de sintonización Nanoclusores de oro de neuroproteína fluorescente:síntesis y aplicaciones en la detección de lectina vegetal y la obtención de imágenes celulares