Estruturas de micro / nano rugas altamente elásticas para aplicação invisível por infravermelho

Resumo

Demonstramos uma nova estrutura furtiva de infravermelho que consiste em SiO ₂ / TiO ₂ filme, que foi fabricado como as estruturas de rugas triangulares altamente esticáveis. As estruturas triangulares enrugadas foram primeiramente transferidas para o substrato flexível da superfície do substrato de Si, que foi fabricado pela tecnologia MEMS. Em seguida, o filme reflexivo infravermelho foi fabricado para ser as estruturas de rugas triangulares, depositando os materiais (metal nobre (Ag ou Au) ou óxido de multicamadas (SiO ₂ / TiO ₂ )) na superfície do substrato flexível. Devido ao menor efeito de reflexão da superfície curva, a refletividade infravermelha dessas estruturas foi ajustada para 5%. E, em comparação com a superfície plana, as razões de reflexão para difusão melhoraram aproximadamente uma ordem de magnitude. Essas estruturas podem se adaptar ao ambiente alterando a refletividade das estruturas triangulares dobradas sob o alongamento. Finalmente, uma estrutura invisível infravermelha modificada com Au foi fabricada como as estruturas de matriz, que desapareceram e, em seguida, foram exibidas ao esticar as estruturas triangulares enrugadas à temperatura ambiente. Possui altas taxas de reflexão difusa, repetibilidade estável, baixo custo e fácil de fabricar. Pode abrir oportunidades para camuflagem infravermelha para aplicações de segurança militar e vigilância em campo.

Histórico

A tecnologia invisível de infravermelho tem sido amplamente utilizada no campo de componentes de naves espaciais [1], plataformas de camuflagem [2], roupas de proteção [3], embalagens de contêineres [4] e assim por diante [5,6,7]. Especialmente para o campo de segurança militar e vigilância militar, que pode proteger a aeronave da detecção.

Nos últimos anos, muitos materiais, que refletem estaticamente a radiação na região do infravermelho do espectro eletromagnético, têm sido estudados [8,9,10]. Wei et al. [11] propôs um método de reflexão infravermelho baseado em metamaterial modulando o dopagem de portadora foto-gerada. Kocabas et al. [12] demonstram estruturas de superfícies ativas que podem ser controladas para ajustar a reflexão, transmissão e absorção de microondas. No entanto, esse tipo de material novo foi confinado por tecnologia complexa, produção ultrabaixa e alto custo.

Para otimizar as adaptabilidades das estruturas invisíveis de infravermelho, muitos materiais e estruturas adaptativas de infravermelho diferentes foram projetados e estudados [13,14,15]. Valentine et al. [16] demonstraram um método de reflexão infravermelho baseado em metamaterial controlando espaço-temporalmente a emissividade do metamaterial que é modulado com luz ultravioleta. No entanto, essa estrutura foi acionada pela luz ultravioleta, altas temperaturas e grandes gradientes de temperatura. Gorodetsky et al. [17] desenvolveram uma estrutura refletora de infravermelho adaptativa baseada na estrutura de rugas com a característica de baixa temperatura de trabalho, faixa espectral ajustável, resposta rápida e operação autônoma. Porém, essa estrutura deve ser acionada pela alta tensão em torno de 3 kV, o que é difícil de se conseguir no campo comum, principalmente para aeronaves.

Neste estudo, uma nova estrutura dobrável triangular extensível foi projetada e fabricada para ser a estrutura invisível de infravermelho adaptável. A refletividade infravermelha desta estrutura foi ajustada para 5%, e um simples manufaturado usando os materiais refletores infravermelhos desapareceu e, em seguida, exibiu com a deformação das estruturas triangulares rugas sob uma simples atuação mecanicamente à temperatura ambiente.

Métodos

As membranas de polidimetilsiloxano (PDMS) (10:1) (Sylgard 184, Dow Corning) foram preparadas por centrifugação em wafers de silício com uma espessura de 500 μm, controlando a velocidade de rotação, e curadas imediatamente após a rotação a menos de 80 ° C para 2 h [18].

O filme de prata e as camadas alternadas de dióxido de titânio (TiO ₂ ) e dióxido de silício (SiO ₂ ) foram depositados nos substratos PDMS pela evaporação do feixe de elétrons de acordo com as técnicas de microfabricação padrão.

A refletância total, a refletância difusa e a transmitância total de nossas estruturas foram caracterizadas com um espectrômetro infravermelho de transformação Frontier (Perkin Elmer). As medições foram realizadas em um ângulo de iluminação de 12 ° em uma faixa de comprimento de onda de 2 a 14 μm e referenciadas a um padrão ouro difuso (Pike Technologies).

A topografia da estrutura triangular das rugas foi caracterizada por microscópio de varredura a laser (Modelo:LEXT OLS4100; Co .:Olympus) e microscópio de força atômica (AFM) (Modelo:Multimode8; Co .:Bruker). As fotos e vídeos infravermelhos foram obtidos com uma câmera termográfica (FOTRIC 226S) para a temperatura e uma faixa espectral efetiva de comprimentos de onda de 8 μm a 14 μm.

Resultados e discussão

Mecanismo Infrared Stealth

Os esquemas das estruturas refletivas de infravermelho estão representados na Fig. 1. Nós investigamos as propriedades da refletância infravermelha com base na estrutura triangular. O modelo de infravermelho stealth foi simulado pelo software da Zemax. Como a luz incide sobre uma estrutura plana, a maior parte da luz incidente seria refletida ao longo de uma determinada direção seguindo a lei da reflexão, conforme mostrado na Fig. 1a. Quando a luz incide nas estruturas triangulares, a maior parte da luz cai dentro das estruturas da armadilha triangular e apenas a luz da liteira pode refletir para fora das estruturas triangulares, conforme ilustrado na Fig. 1b. Ou seja, como a luz infravermelha incidiu na estrutura triangular, a maior parte da luz infravermelha não seria detectada usando o mecanismo de reflexão da luz. Esta estrutura triangular pode ser invisível para a técnica de detecção de infravermelho.

Modelo de mecanismo infravermelho. a A luz foi incidente no filme plano; b nas estruturas triangulares

Fabricação de estrutura triangular de rugas

Conforme mostrado na Fig. 2, as estruturas triangulares enrugadas foram fabricadas usando a tecnologia MEMS, o que foi relatado em nosso trabalho anterior [19]. Em primeiro lugar, um fotoresiste positivo foi revestido por rotação no wafer de sílica a 3000 rad / min e cozido a 105 ° C por 90 s. Em segundo lugar, o wafer foi exposto a uma dose de 135 mJ / cm ² com um alinhador de máscara e cozido a 115 ° C por 120 s para formar reticulações fortes. Após o resfriamento gradual do wafer, a estrutura foi imersa em um revelador positivo (40 s). Terceiro, etch SiO ₂ usando uma gravação de óxido tamponado e gravura de Si usando 15% em peso de TMAH + 17% em volume de álcool isopropílico (22 min). Quarto, um SiO ₂ camada foi removida pelo ácido fluorídrico. Em seguida, obteve-se uma estrutura tipo triangular, conforme mostrado na Fig. 2a [6]. Quinto, um molde PDMS foi preparado misturando o elastômero PDMS líquido e o agente de cura a uma proporção de 10:1 em volume, que foi vertido sobre o molde de Si e foi termicamente curado a 80 ° C por 1,5 h para obter a estrutura triangular no superfície do substrato PDMS para formar o molde PDMS. Então, um SiO _x camada e grupos hidrofílicos (por exemplo, -OH) foram formados na superfície do substrato PDMS sob tratamento com plasma de oxigênio a 150 W por 15 s. A amostra foi então imersa em uma solução SDS por 15 s para introduzir -SO ₃ ^- grupos na superfície da estrutura PDMS enrugada triangular. Este processo pode introduzir uma reação de condensação de funcionalidades hidrofílicas entre o PDMS e o metal nobre (Ag, Au) e materiais óxidos (SiO ₂ , TiO ₂ ), que foram relatados em detalhes em nosso trabalho anterior [20,21,22]. Finalmente, a estrutura de metal ou óxido enrugado triangular foi obtida pelo revestimento do metal ou óxido na superfície do molde PDMS usando a tecnologia de evaporação por feixe de elétrons, que foi relatada em detalhes em nosso trabalho anterior [20,21,22].

Caracterização do processo de fabricação e morfologia das estruturas rugosas triangulares sobre substratos de polidimetilsiloxano (PDMS). a Processo de fabricação do Ag (SiO ₂ / TiO ₂ ) -estruturas de rugas triangulares incorporadas. b Imagem ótica. c Imagem AFM. d A uniformidade de periodicidade para as amostras

Conforme mostrado na Fig. 2b-d, a periodicidade das estruturas triangulares enrugadas era uniforme, e a periodicidade era de cerca de (10 ± 0,1) μm em toda a superfície da amostra testada por microscopia de força atômica. E o tamanho da amostra foi de cerca de 4 mm × 4 mm. A periodicidade desejada foi alcançada ajustando o tamanho das estruturas da máscara e os parâmetros de corrosão, que podem ser calculados conforme introduzido em nossos estudos anteriores [19].

Teste Infrared Stealth

Em nosso trabalho, as estruturas metálicas com rugas triangulares foram fabricadas primeiramente para investigar o efeito de reflexão infravermelha. Devido à alta ductilidade, excelente dobrabilidade e dureza e custo relativamente baixos, os materiais de metal Ag foram selecionados para fabricar o filme reflexivo infravermelho. As estruturas rugas triangulares Ag foram fabricadas seguindo o processo da Fig. 2a.

Antes da atuação mecânica, quando um feixe de luz incide na ponta da estrutura reflexiva infravermelha triangular (Fig. 3a), a maior parte do raio infravermelho (linha vermelha) foi difundido pela ponta (linha azul) e apenas um pouco de luz pode ser refletido (linha verde) no detector. Embora após o acionamento mecânico, a superfície da estrutura triangular pode ser gradualmente esticada para ficar plana, como mostrado na Fig. 3b. Nesse caso, a maior parte da luz incidente seria refletida no detector.

Modulação mecânica da refletância de banda larga. a A mudança na morfologia da superfície e a reflexão da luz infravermelha das estruturas de rugas triangulares Ag antes do acionamento mecânico. b Após acionamento mecânico. c Os espectros de refletância infravermelha das estruturas de rugas triangulares Ag antes da atuação mecânica. A refletância total (traços vermelhos) é mostrada junto com seus componentes de reflexão (traços pretos) e difusos (traços azuis). d Após acionamento mecânico. e Gráficos da refletância de pico total, de reflexão e difusa das estruturas de rugas triangulares Ag como funções da deformação de comprimento aplicada. f Teste de estabilidade das estruturas de rugas triangulares Ag com alongamento / liberação ao longo de 500 ciclos

Os espectros infravermelhos correspondentes provaram os resultados acima em nosso experimento, conforme mostrado na Fig. 3c. Como estruturas de rugas triangulares não atuadas, apresentava uma refletância total média alta de 46 ± 2%, uma reflexão média baixa de <13% e uma luz difusa média moderada de 33 ± 2%. Portanto, a refletância total apresentou uma reflexão média fraca de 13 ± 2% e um componente difuso médio dominante de 33 ± 2%, em uma proporção de ~ 0,4. Depois de esticar mecanicamente as estruturas triangulares rugas (como mostrado na Fig. 3d), o espectro infravermelho correspondente apresentou uma refletância total média aumentada de 97 ± 1%, uma reflexão média alta de 89 ± 1% e uma luz difusa total média baixa de 8 ± 1%.

A partir dos resultados do experimento, a refletividade aumentou de 13 para 89% com o alongamento das estruturas triangulares de rugas Ag. Além disso, a luz difusa foi reduzida de 33 para 8%. A razão foi que as estruturas triangulares de rugas Ag foram esticadas para formar um filme plano Ag. A luz incidente pode refletir ao longo de um certo ângulo do filme plano seguindo a lei da reflexão. Devido à alta refletividade do filme plano, a refletância total pode ser de até 100% em teoria e a luz difusa era apenas uma pequena quantidade. Considerando a superfície rugosa do filme de Ag, a reflexão seria reduzida (89%) e a luz difusa seria aumentada (8%).

Enquanto isso, em comparação com a estrutura enrugada, a luz difusa reduziu de 33 para 8% do filme plano. A razão era que a rugosidade das estruturas rugosas triangulares Ag era de cerca de ~ 1 μm, dependendo da altura das estruturas rugas. Mas para o filme plano Ag, a rugosidade era de cerca de 20 nm ou menor, que era a rugosidade do filme Ag. Conseqüentemente, a luz difusa pode ser reduzida ainda mais, otimizando o parâmetro tecnológico da evaporação do feixe de elétrons.

Neste caso, a refletância total apresentou uma reflexão média muito maior de 89 ± 1% e um componente de luz difusa média menor de 8 ± 1%, em uma proporção de ~ 11. Portanto, as razões de reflexão difusa foram de aproximadamente aumentou uma ordem de magnitude com base em estruturas de rugas triangulares.

Em geral, a refletância total de estruturas triangulares rugas no comprimento de onda de banda larga aumentou em função da deformação (Fig. 3e). A refletividade aumentou com a deformação, mas a difusa reduziu, pois o alongamento do filme Ag de rugas triangulares tornou-se plano. As propriedades de reflexão infravermelha foram totalmente reversíveis na atuação mecânica repetida, contribuindo para a propriedade altamente extensível das estruturas enrugadas. E apenas uma pequena degradação do desempenho foi observada após 500 ciclos (Fig. 3f). Assim, a atuação mecânica de nossas estruturas triangulares de rugas induziu uma mudança, que pode ser reversível e modulada dinamicamente da refletância de banda larga dentro da região do infravermelho de comprimento de onda curto a longo.

Em geral, em comparação com a tecnologia de infravermelho de banda larga, a banda de infravermelho estreita tem a relação sinal-ruído mais alta e rastreabilidade mais fácil para detecção de alvo infravermelho, discernimento e aplicação de rastreamento.

Portanto, para melhorar a precisão da detecção de alvo infravermelho, discernimento e tecnologia de rastreamento, o efeito de reflexão infravermelho de banda estreita de estruturas de rugas triangulares foi investigado como mostrado na Fig. 4.

Modulação mecânica da refletância de banda estreita. a A mudança na morfologia da superfície e a reflexão da luz infravermelha de um TiO ₂ / SiO ₂ Estruturas modificadas por pilha de Bragg antes da atuação mecânica. b Após acionamento mecânico. c Os espectros de refletância infravermelha de um TiO ₂ / SiO ₂ Estruturas modificadas por pilha de Bragg com uma intensidade de refletância de pico de 5 μm antes da atuação mecânica. A refletância total (traços vermelhos) é mostrada junto com seus componentes de reflexão (traços pretos) e difusos (traços azuis). d Após acionamento mecânico. e Os espectros infravermelhos de três dispositivos não atuados que foram projetados para apresentar comprimentos de onda de refletância de pico de 3 μm (traço vermelho), 4 μm (traço azul) e 5 μm (traço preto). f Gráficos da refletância de pico total, de reflexão e difusa do TiO ₂ / SiO ₂ Estruturas modificadas de pilha de Bragg como funções da deformação de comprimento aplicada

Para obter o pico de refletância infravermelho de banda estreita, alternando TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ / SiO ₂ / TiO ₂ camadas com espessuras de λ _pico / (4 × n _TiO2 ) e λ _pico / (4 × n _SiO2 ) foram projetados. As estruturas foram fabricadas de acordo com protocolos litográficos padrão, conforme mostrado na Fig. 2a. O TiO ₂ / SiO ₂ Pilhas de Bragg com uma intensidade de refletância de pico de 5 μm foram produzidas com o SiO ₂ espessura era de 0,933 μm e o TiO ₂ espessura foi de 0,543 μm por um sistema Angstrom Engineering EvoVac. As estruturas de reflexão infravermelha de banda estreita consistem em duas camadas de SiO ₂ e TiO de três camadas ₂ . E o tamanho das estruturas de reflexão infravermelha de banda estreita com base nas estruturas triangulares enrugadas era de cerca de 4 mm × 4 mm.

Em nossos trabalhos, antes da atuação mecânica, as estruturas de reflexão infravermelha de banda estreita baseadas nas estruturas rugosas triangulares, os espectros infravermelhos apresentavam intensidades de refletância total de 18 ± 2% no comprimento de onda de 5 μm, com reflexão média fraca de 5 ± 2% e um componente difuso médio de 13 ± 2%, em uma proporção de ~ 0,38, conforme mostrado na Fig. 4c.

Após a atuação mecânica, as intensidades de refletância total aumentaram até 63 ± 4% em um comprimento de onda de 5 μm, com um componente de reflexão muito maior de 50 ± 3% e um componente difuso quase inalterado de 13 ± 2% em uma proporção de ~ 3,8 (conforme mostrado na Fig. 4d). Este resultado foi consistente com o filme reflexivo modificado com Ag com base nas estruturas de rugas triangulares. A refletividade aumentou de 5 para 63% causada pelas razões que o TiO triangular ₂ / SiO ₂ estruturas de rugas de várias camadas foram esticadas para formar um filme plano. A luz infravermelha incidente pode refletir ao longo de um certo ângulo do filme plano para melhorar a refletividade.

Da mesma forma, para a estrutura de refletividade infravermelha de banda estreita com base nas estruturas de rugas triangulares, as razões de reflexão para difusão foram reduzidas em cerca de uma ordem de magnitude em um comprimento de onda de 5 μm. Além disso, os mesmos resultados podem ser comprovados nos comprimentos de onda de 3, 4 e 5 μm (devido à mudança de espessura do TiO ₂ e SiO ₂ ), como mostrado na Fig. 4e.

Em geral, a refletância total de estruturas triangulares enrugadas no comprimento de onda de banda larga aumentou em função da deformação (Fig. 4f). A reflexão aumentou com a deformação, mas os componentes difusos permaneceram relativamente inalterados. O motivo era que a aspereza das estruturas triangulares com rugas e o filme plano tinham aproximadamente o mesmo tamanho. A altura das estruturas enrugadas foi reduzida de ~ 1 μm para ~ 200 nm com cobertura do TiO ₂ ou SiO ₂ filme. Porque o canto entre duas estruturas triangulares cobriria mais filme do que outra área, o que reduziria a altura do TiO ₂ / SiO ₂ estruturas enrugadas de filmes multicamadas. Quanto mais a espessura do filme aumenta, mais a altura é reduzida. Enquanto para o TiO ₂ / SiO ₂ filme plano, a rugosidade era de cerca de ~ 50 nm, causada pela pior qualidade do óxido do que do metal usando a tecnologia MEMS.

Demonstração de exemplos de aplicativos

Como uma prova de conceito para stealth infravermelho de estruturas triangulares rugas, avaliamos nossas estruturas stealth infravermelho para se ocultar sob a visualização infravermelha.

Projetamos e fabricamos um filme reflexivo infravermelho modificado por Au com estruturas de matrizes três por três. O tamanho da amostra foi de 5 cm x 5 cm e fotografada por uma câmera infravermelha térmica, conforme mostrado na Fig. 5a. As estruturas de matrizes três por três serviram como o rótulo composto de materiais compostos de nanodiamantes PDMS, que têm materiais de alta transmissão infravermelha, como mostrado na Fig. 5b.

Stealth reversível de estruturas modificadas por Au no infravermelho. a Esquemas de estruturas modificadas por Au sob um fluxo térmico constante (esquerda) antes e (direita) após o acionamento mecânico. b Imagem óptica de estruturas modificadas por Au. c As características morfológicas microscópicas para estruturas de rugas triangulares com o aumento da tensão. d As imagens da câmera infravermelha correspondentes das mesmas estruturas modificadas por Au com o aumento da deformação

Antes da atuação mecânica, as estruturas de rugas modificadas com Au triangulares foram claramente observadas pela microscopia confocal de varredura a laser, conforme mostrado no detalhe da Fig. 5c (à esquerda). Do ponto de vista seccional da inserção, a estrutura triangular pode ser vista claramente. E a imagem infravermelha correspondente pode ser mostrada na Fig. 5d (esquerda). Sem atuação, havia apenas um esboço geral das estruturas de filme modificadas por Au. À medida que a deformação aumentou de 0 a 60%, a estrutura triangular enrugada foi esticada para se tornar plana e a altura diminuiu para zero, o que foi observado por microscopia confocal de varredura a laser. E a imagem infravermelha correspondente mostrou que as estruturas de filme modificadas por Au gradualmente tornam-se vermelhas devido ao aumento da refletividade infravermelha. E a estrutura de matrizes três por três estava emergindo para ser um buraco. Conseqüentemente, os resultados comprovam o efeito furtivo de infravermelho das estruturas triangulares de rugas com a vantagem de repetibilidade, estabilidade e reversibilidade total.

Conclusões

Nós examinamos as propriedades furtivas de infravermelho de metal nobre (Au e Ag) e óxido de metal (TiO ₂ / SiO ₂ ) -estruturas de rugas triangulares extensíveis modificadas.

Primeiro, a refletividade infravermelha dessas estruturas foi ajustada de 50 a 5% e as razões de reflexão para difusão dinamicamente moduladas por aproximadamente ordem de magnitude. Em segundo lugar, nossas estruturas apresentadas apresentam recursos para tecnologias de camuflagem infravermelha adaptativa no comprimento de onda de banda larga e banda estreita. Terceiro, as estruturas foram integradas de forma direta e apresentaram estabilidade para ciclos repetidos. Por último, as estruturas possibilitam novas tecnologias portáteis autônomas sob um simples acionamento mecanicamente à temperatura ambiente. Em última análise, as estruturas descritas podem oferecer novas possibilidades para camuflagem infravermelha aplicada no campo da segurança militar e vigilância.

Abreviações

AFM:

Microscópio de força atômica

PDMS:

Polidimetilsiloxano

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