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美国研制出高性能柔性宽频红外吸光材料

2017-03-13 12:08:00 中国航空报 胡燕萍

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试验中的柔性宽频吸光材料。

不久前,美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校宣布,该校研究人员开发出一种轻薄、柔性的红外吸光材料。这种轻薄材料的吸光效率超过太阳能电池的3倍,可以阻挡热探测,用作透明窗口涂层可以让军事装备实现红外隐身,在民用上可以让建筑物和汽车在太阳下保持凉爽。这种材料可以吸收超过87%的近红外光(波长1200~2200纳米),其中98%是1550纳米波长光,被称为近完美宽带吸收体。以上红外波段是光纤通信的波段。

“完美”吸光材料已存在,但是目前的吸光材料都是块状的,弯曲的时候易发生断裂;同时也不能调控成吸收特定波长范围的光,不利于某些应用。例如,用于玻璃的隔热材料不仅能阻挡红外辐射,也将正常的光和播送电视和收音机节目的无线电波挡掉。研究人员通过开发出一种全新的纳米粒子设计,创建出一个宽带吸波体,具备轻薄、柔性、可调的优点。

该材料依靠表面等离子共振现象实现光吸收。等离子共振现象是金属纳米粒子与一定波长的光相互作用后,表面发生的自由电子集体移动。金属纳米粒子能带有大量自由电子,所以展现出强表面等离子共振——但是主要在可见光波段,不在红外波段。

研究人员设想改变自由电子数量来针对不同波长的光调节材料表面的等离子体共振。将自由电子数量降低,就可以将等离子共振推向红外波段;将自由电子数量增加,就可以将等离子共振推向紫外波段。这个方法的难点在于金属材料难以实现自由电子数量的调节。为了应对这个挑战,研究人员利用半导体材料设计出了一个吸光材料。半导体材料的自由电子数量可以通过掺杂等方式进行调节。研究人员使用氧化锌半导体和气金属对应物铝掺杂的氧化锌研制吸光材料。氧化锌半导体的自由电子数量适中;而铝掺杂的氧化锌具有大量的自由电子,没有实际金属纳米多,但足以在红外光下产生等离子体激光效应。

这种材料可以转移到任何类型的基底上,可以大规模生产,并应用到大表面积的设备上,如大型玻璃的宽带吸波体,打破了纳米材料制备尺寸不超过几厘米的瓶颈,是制备技术上的一个大迈进。控制以下参数可以实现对吸光频带的控制:管间距、材料比率、材料类别以及载流子浓度。该技术目前仍处于开发阶段。研究人员继续尝试不同材料、几何形状和设计,开发在不同波长光起作用的吸光体。

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