Ultra-Rekbare SiO₂/TiO₂ Driehoekige Rimpel Nanostructuren voor Geavanceerde Infrarood Camouflage

Samenvatting

We demonstreren een nieuwe infrarood camouflagestructuur bestaande uit SiO₂/TiO₂ film, gefabriceerd als hoog rekbare driehoekige rimpelstructuren. De driehoekige rimpelstructuren zijn eerst overgebracht naar het flexibele substraat vanaf het oppervlak van een Si-substraat, gefabriceerd met MEMS-technologie. Vervolgens is de infrarood-reflecterende film gefabriceerd als driehoekige rimpelstructuren door materialen (edelmetaal (Ag of Au) of meervoudige oxidelaag (SiO₂/TiO₂)) op het oppervlak van het flexibele substraat te depositieren. Door het lagere reflectie-effect van gekromde oppervlakken is de infrarood-reflectiviteit van deze structuren afgestemd tot 5 %. En, vergeleken met het platte oppervlak, zijn de reflectie-tot-diffuus verhoudingen met ongeveer een orde van grootte verbeterd. Deze structuren kunnen zich aanpassen aan de omgeving door de reflectiviteit van de driehoekige rimpelstructuren te veranderen onder rek. Ten slotte is een Au-gemodificeerde infrarood camouflagestructuur gefabriceerd als array-structuren, die verdwijnen en dan weer zichtbaar worden door de driehoekige rimpelstructuren te rekken bij kamertemperatuur. Het kenmerkt zich door hoge reflectie-tot-diffuus verhoudingen, stabiele herhaalbaarheid, lage kosten en eenvoudige fabricage. Het kan kansen openen voor infrarood camouflage voor militaire beveiliging en surveillantie toepassingen.

Achtergrond

Infrarood camouflagetechnologie is breed toegepast op het gebied van ruimtevaartcomponenten, camouflageplatforms, beschermende kleding, containerverpakking, en meer. Met name voor militaire beveiliging en surveillantie, die vliegtuigen kunnen beschermen tegen detectie.

In recente jaren zijn veel materialen bestudeerd die statisch straling in het infraroodgedeelte van het elektromagnetische spectrum reflecteren. Wei et al. stelden een metamateriaal-gebaseerde infrarood-reflectiemethode voor door fotogegenereerde ladingsdragerdoping te moduleren. Kocabas et al. demonstreerden actieve oppervlaktestructuren die gecontroleerd kunnen worden om reflectie, transmissie en absorptie van golven te tunen. Echter, dit type nieuw materiaal was beperkt door complexe technologie, ultra-lage productie en hoge kosten.

Om de adaptiviteit van infrarood camouflagestructuren te optimaliseren, zijn veel verschillende adaptieve infrarood materialen en structuren ontworpen en bestudeerd. Valentine et al. demonstreerden een metamateriaal-gebaseerde infrarood-reflectiemethode door de emissiviteit van metamateriaal spatio-temporeel te controleren, gemoduleerd met ultraviolett licht. Echter, deze structuur werd geactiveerd door ultraviolett licht, hoge temperaturen en grote temperatuurgradiënten. Gorodetsky et al. ontwikkelden adaptieve infrarood-reflecterende structuren gebaseerd op rimpelstructuren met de kenmerken van lage werktemperatuur, instelbaar spectraal bereik, snelle respons en autonome operatie. Echter, deze structuur moest geactiveerd worden door een hoge spanning van ongeveer 3 kV, wat moeilijk te bereiken is in het gemeenschappelijke veld, met name voor vliegtuigen.

In deze studie is een nieuwe rekbare driehoekige rimpelstructuur ontworpen en gefabriceerd als adaptieve infrarood camouflagestructuur. De infrarood-reflectiviteit van deze structuur is afgestemd tot 5 %, en een eenvoudige fabricage met infrarood-reflecterende materialen was verdwijning, en dan weer weergave met de deformatie van de driehoekige rimpelstructuren onder een eenvoudige mechanistische actuatie bij kamertemperatuur.

Methoden

Polydimethylsiloxaan (PDMS) (10:1) membranen (Sylgard 184, Dow Corning) werden bereid door spindoop op silicium wafers met een dikte van 500 μm door de draaisnelheid te controleren, en direct na spinnen gecureerd bij minder dan 80 °C gedurende 2 u.

Het zilverfilm en de afwisselende lagen van titaniumdioxide (TiO₂) en siliciumdioxide (SiO₂) werden op de PDMS-substraten gedeponeerd door elektronenbundelverdamping volgens standaard micro-fabricagetechnieken.

De totale reflectantie, diffuse reflectantie en totale transmissie van onze structuren werden gekarakteriseerd met een Frontier transformatie infrarood spectrometer (Perkin Elmer). De metingen werden uitgevoerd bij een invalshoek van 12° over een golflengtebereik van 2 tot 14 μm en gerefereerd aan een diffuse goudstandaard (Pike Technologies).

De topografie van de driehoekige rimpelstructuur werd gekarakteriseerd door lasermicroscopie (Model: LEXT OLS4100; Co.: Olympus) en atoomkrachtmicroscopie (AFM) (Model: Multimode8; Co.: Bruker). De infraroodbeelden en video's werden verkregen met een thermische camer a (FOTRIC 226S) voor de temperatuur en een effectief spectraal bereik van golflengtes van 8 μm tot 14 μm.

Resultaten en Discussie

Infrarood Camouflage Mechanisme

Schema's van de infrarood-reflecterende structuren zijn afgebeeld in Fig. 1. We onderzochten de eigenschappen van infrarood-reflectantie gebaseerd op de driehoekige structuur. Het model van infrarood camouflage werd gesimuleerd met de software Zemax. Als het licht inval op een platte structuur, zou het meeste invallicht gereflecteerd worden langs een bepaalde richting volgens de wet van reflectie, zoals getoond in Fig. 1a. Wanneer het licht inval op de driehoekige structuren, valt het meeste licht binnen de driehoekige valstructuren en kan slechts een beetje licht uit de driehoekige structuren reflecteren, zoals afgebeeld in Fig. 1b. Dat wil zeggen, als het infraroodlicht inval in de driehoekige structuur, zou het meeste infraroodlicht niet gedetecteerd worden met het reflectiemechanisme van licht. Deze driehoekige structuur kan onzichtbaar zijn voor de infrarooddetectietechniek.

Fabricage van Driehoekige Rimpelstructuur

Zoals getoond in Fig. 2, werden de driehoekige rimpelstructuren gefabriceerd met MEMS-technologie, wat gerapporteerd is in ons eerdere werk. Eerst werd een positieve fotoresist op de silicium wafer gespindoop bij 3000 rad/min en gebakken bij 105 °C gedurende 90 s. Tweede, de wafer werd blootgesteld aan een dosis van 135 mJ/cm² met een maskeraligner en gebakken bij 115 °C gedurende 120 s om sterke kruislinkingen te vormen. Na geleidelijke afkoeling van de wafer, werd de structuur gedoopt in een positieve ontwikkelaar (40 s). Derde, ets SiO₂ met een gebufferde oxide-ets en ets Si met 15 wt% TMAH + 17 vol% isopropylalcohol (22 min). Vierde, een SiO₂ laag werd verwijderd door fluorwaterstofzuur. Dan werd een driehoekachtige structuur verkregen, zoals getoond in Fig. 2a. Vijfde, een PDMS-mol werd bereid door het vloeibare PDMS-elastomer en hardener in een 10:1 verhouding in volume te mengen, wat op de Si-mol werd gegoten en thermisch gecureerd bij 80 °C gedurende 1,5 u om de driehoekige structuur op het oppervlak van het PDMS-substraat te verkrijgen om de PDMS-mol te vormen. Dan werd een SiO_x laag en hydrofiele groepen (bijv. -OH) gevormd op het oppervlak van het PDMS-substraat onder zuurstofplasmabehandeling bij 150 W gedurende 15 s. Het monster werd vervolgens gedoopt in een SDS-oplossing gedurende 15 s om -SO₃⁻ groepen aan het oppervlak van de driehoekige gerimpelde PDMS-structuur te introduceren. Dit proces kan een condensatiereactie van hydrofiele functionaliteiten introduceren tussen het PDMS en edelmetaal (Ag, Au) en oxidematerialen (SiO₂, TiO₂), wat in detail gerapporteerd is in ons eerdere werk. Ten slotte werden metaal- of oxide-driehoekige rimpelstructuren verkregen door het metaal of oxide op het oppervlak van de PDMS-mol te coaten met elektronenbundelverdampingstechnologie, wat in detail gerapporteerd is in ons eerdere werk.

Zoals getoond in Fig. 2b–d, was de periodiciteit van de driehoekige rimpelstructuren uniform, en de periodiciteit was ongeveer (10 ± 0,1) μm op het gehele oppervlak van het monster getest door atoomkrachtmicroscopie. En de grootte van het monster was ongeveer 4 mm × 4 mm. Gewenste periodiciteit werd bereikt door de grootte van maskerstructuren en etsparameters te tunen, wat berekend kan worden zoals geïntroduceerd in onze eerdere studies.

Infrarood Camouflage Testen

In ons werk zijn de metaal-driehoekige rimpelstructuren eerst gefabriceerd om het infrarood-reflectie-effect te onderzoeken. Vanwege de hoge ductiliteit, uitstekende buigbaarheid, en relatief lage hardheid en kosten, zijn metaal Ag-materialen geselecteerd om de infrarood-reflecterende film te fabriceren. De Ag-driehoekige rimpelstructuren zijn gefabriceerd volgens het proces van Fig. 2a.

Voor mechanische actuatie, wanneer een bundel licht inval op de top van de driehoekige infrarood-reflecterende structuur (Fig. 3a), is de meeste infraroodstral (rode lijn) gediffuseerd door de top (blauwe lijn) en kan slechts een beetje licht gereflecteerd worden (groene lijn) in de detector. Terwijl na mechanische actuatie, het oppervlak van de driehoekige structuur geleidelijk gerekt kan worden tot vlak zoals getoond in Fig. 3b. In dat geval zou het meeste invallicht in de detector reflecteren.

De corresponderende infraroodspectra hebben de bovenstaande resultaten in ons experiment bewijzen zoals getoond in Fig. 3c. Als niet-geactiveerde driehoekige rimpelstructuren, het kenmerkte een hoge gemiddelde totale reflectantie van 46 ± 2%, een lage gemiddelde reflectie van < 13%, en een matige gemiddelde diffuse licht van 33 ± 2%. Daarom had de totale reflectantie een zwakke gemiddelde reflectie van 13 ± 2% en een dominantes gemiddelde diffuse component van 33 ± 2%, in een verhouding van ~ 0,4. Na mechanisch rekken van de driehoekige rimpelstructuren (zoals getoond in Fig. 3d), had de corresponderende infraroodspectra een verhoogde gemiddelde totale reflectantie van 97 ± 1%, een hoge gemiddelde reflectie van 89 ± 1%, en een lage gemiddelde totale diffuse licht van 8 ± 1%.

Uit de experimentele resultaten steeg de reflectiviteit van 13 naar 89% met het rekken van de driehoekige Ag-rimpelstructuren. Ook is het diffuse licht verminderd van 33 naar 8%. De reden was dat de driehoekige Ag-rimpelstructuren gerekt zijn tot Ag-vlakke film. Het invallicht kan reflecteren langs een bepaalde hoek van de vlakke film volgens de wet van reflectie. Vanwege de hoge reflectiviteit van de vlakke film, kan de totale reflectantie in theorie tot 100% oplopen en het diffuse licht was slechts een kleine hoeveelheid. Rekening houdend met het ruwe oppervlak van de Ag-film, zou de reflectie verminderd worden (89%) en het gediffuseerde licht verhoogd (8%).

Tegelijkertijd, vergeleken met de rimpelstructuur, is het gediffuseerde licht verminderd van 33 naar 8% van de vlakke film. De reden was dat de ruwheid van de driehoekige Ag-rimpelstructuren ongeveer ~ 1 μm was, afhankelijk van de hoogte van de rimpelstructuren. Maar voor de Ag-vlakke film was de ruwheid ongeveer ~ 20 nm of kleiner, wat de ruwheid van de Ag-film was. Daarom kan het diffuse licht verder verminderd worden door de technologische parameters van elektronenbundelverdamping te optimaliseren.

In dit geval had de totale reflectantie een veel grotere gemiddelde reflectie van 89 ± 1% en een kleinere gemiddelde diffuse lichtcomponent van 8 ± 1%, in een verhouding van ~ 11. Daarom zijn de reflectie-tot-diffuus verhoudingen met ongeveer een orde van grootte toegenomen op basis van driehoekige rimpelstructuren.

In het algemeen nam de totale reflectantie van driehoekige rimpelstructuren bij breedbandgolflengte toe als functie van de rek (Fig. 3e). De reflectiviteit steeg met de rek, maar het diffuse licht nam af, naarmate de driehoekige Ag-rimpelfilm gerekt werd tot vlak. De infrarood-reflectie-eigenschappen waren volledig reversibel op herhaalde mechanische actuatie, wat bijdraagt aan de hoog rekbare eigenschap van rimpelstructuren. En slechts kleine prestatiedegradatie is waargenomen na 500 cycli (Fig. 3f). Dus, mechanische actuatie van onze driehoekige rimpelstructuren induceerde een verandering, die reversibel en dynamisch gemoduleerd kan worden van de breedbandreflectantie binnen het korte- tot langegolflengte infraroodgebied.

In het algemeen, vergeleken met de breedband-infraroodtechnologie, heeft de smalband-infraroodband een hogere signaal-ruisverhouding en eenvoudigere traceerbaarheid voor infrarood-doeldetectie, onderscheiding en tracking toepassing.

Daarom, om de precisie van infrarood-doeldetectie, onderscheiding en tracking-technologie te verbeteren, is het smalband-infrarood-reflectie-effect van driehoekige rimpelstructuren onderzocht zoals getoond in Fig. 4.

Om smalband-infrarood-reflectantiepiek te verkrijgen, zijn afwisselende TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂ lagen met diktes van λ_piek/(4 × n_TiO2) en λ_piek/(4 × n_SiO2) ontworpen. De structuren zijn gefabriceerd volgens standaard lithografische protocollen zoals getoond in Fig. 2a. De TiO₂/SiO₂ Bragg-stapels met een piekreflectantie-intensiteit bij 5 μm zijn geproduceerd met de SiO₂ dikte was 0,933 μm en de TiO₂ dikte was 0,543 μm door een Angstrom Engineering EvoVac systeem. De smalband-infrarood-reflectiestructuren bestaan uit twee-lagen SiO₂ en drie-lagen TiO₂. En de grootte van smalband-infrarood-reflectiestructuren gebaseerd op de driehoekige rimpelstructuren was ongeveer 4 mm × 4 mm.

In ons werk, voor mechanische actuatie, de smalband-infrarood-reflectiestructuren gebaseerd op de driehoekige rimpelstructuren, de infraroodspectra kenmerkten totale reflectantie-intensiteiten van 18 ± 2% bij een golflengte van 5 μm, met een zwakke gemiddelde reflectie van 5 ± 2% en een gemiddelde diffuse component van 13 ± 2%, in een verhouding van ~ 0,38, zoals getoond in Fig. 4c.

Na mechanische actuatie, de totale reflectantie-intensiteiten steeg tot 63 ± 4% bij een golflengte van 5 μm, met een veel grotere reflectiecomponent van 50 ± 3% en een bijna onveranderde diffuse component van 13 ± 2% in een verhouding van ~ 3,8 (zoals getoond in Fig. 4d). Dit resultaat was consistent met de Ag-gemodificeerde reflecterende film gebaseerd op de driehoekige rimpelstructuren. De reflectiviteit steeg van 5 naar 63% veroorzaakt door de redenen dat de driehoekige TiO₂/SiO₂ multi-lagen rimpelstructuren gerekt zijn tot vlakke film. Het invalende infraroodlicht kan reflecteren langs een bepaalde hoek van de vlakke film om de reflectiviteit te verbeteren.

Op dezelfde manier, voor smalband-infrarood-reflectiviteitstructuur gebaseerd op de driehoekige rimpelstructuren, zijn de reflectie-tot-diffuus verhoudingen met ongeveer een orde van grootte verminderd bij een golflengte van 5 μm. Ook kunnen dezelfde resultaten bewezen worden bij de golflengtes van 3, 4 en 5 μm (vanwege de verandering van dikte van de TiO₂ en SiO₂), zoals getoond in Fig. 4e.

In het algemeen, de totale reflectantie van driehoekige rimpelstructuren bij breedbandgolflengte nam toe als functie van de rek (Fig. 4f). De reflectie nam toe met de rek, maar de diffuse componenten bleven relatief onbeïnvloed. De reden was dat de ruwheid van de driehoekige rimpelstructuren en de vlakke film ongeveer dezelfde grootte was. De hoogte van de rimpelstructuren werd verminderd van ~ 1 μm tot ~ 200 nm met het bedekken van de TiO₂ of SiO₂ film. Omdat de hoek tussen twee driehoekige structuren meer film zou bedekken dan andere gebieden, wat de hoogte van de TiO₂/SiO₂ multi-lagen film rimpelstructuren zou verminderen. Hoe meer de dikte van de film toeneemt, hoe meer de hoogte vermindert. Terwijl voor de TiO₂/SiO₂ vlakke film, was de ruwheid ongeveer ~ 50 nm veroorzaakt door de slechtere kwaliteit voor het oxide dan het metaal met MEMS-technologie.

Demonstratie van Toepassingsvoorbeelden

Als bewijs-van-concept voor infrarood camouflage van driehoekige rimpelstructuren, evalueerden we onze infrarood camouflagestructuren om zichzelf te verbergen onder infraroodvisualisatie.

We ontwierpen en fabriceerden een Au-gemodificeerde infrarood-reflecterende film met drie-op-drie array-structuren. De grootte van het monster was 5 cm × 5 cm en geïmageerd door een thermische infraroodcamera, zoals getoond in Fig. 5a. De drie-op-drie array-structuren dienden als het label samengesteld uit PDMS-nanodiamant composiet materialen, die hoge infrarood-transmissie materialen zijn, zoals getoond in Fig. 5b.

Voor mechanische actuatie, de driehoekige Au-gemodificeerde rimpelstructuren waren duidelijk waarneembaar door de laser scanning confocal microscopie zoals getoond in het inset in Fig. 5c (links). Van het doorsnedegezicht van inset, kan de driehoekige structuur duidelijk gezien worden. En de corresponderende infraroodafbeelding kan getoond worden in Fig. 5d (links). Zonder actuatie was er alleen een algemene omtrek van Au-gemodificeerde filmstructuren. Naarmate de rek toename van 0 tot 60%, was de driehoekige rimpelstructuur gerekt om vlak te worden en de hoogte daalde tot nul, wat waargenomen werd door de laser scanning confocal microscopie. En de corresponderende infraroodafbeelding heeft getoond dat de Au-gemodificeerde filmstructuren geleidelijk rood worden veroorzaakt door de verhoogde infrarood-reflectiviteit. En de drie-op-drie array-structuur duikt op als een gat. Daarom bewijzen de resultaten het infrarood camouflage-effect van de driehoekige rimpelstructuren met het voordeel van herhaalbaarheid, stabiliteit en volledige reversibiliteit.

Conclusies

We hebben de infrarood camouflage-eigenschappen van edelmetaal (Au en Ag) en metaaloxide (TiO₂/SiO₂)-gemodificeerde rekbare driehoekige rimpelstructuren onderzocht.

Eerst, de infrarood-reflectiviteit van deze structuren is afgestemd van 50 tot 5% en de reflectie-tot-diffuus verhoudingen dynamisch gemoduleerd met ongeveer een orde van grootte. Tweede, onze gepresenteerde structuren hebben mogelijkheden voor adaptieve infrarood camouflage technologieën bij de breedband en smalband golflengte. Derde, de structuren zijn eenvoudig geïntegreerd en kenmerken zich door stabiliteit voor herhaalde cycli. Vierde, de structuren maken nieuwe autonome draagbare technologieën mogelijk onder een eenvoudige mechanistische actuatie bij kamertemperatuur. Uiteindelijk kunnen de beschreven structuren nieuwe mogelijkheden bieden voor infrarood camouflage toegepast in het veld van militaire beveiliging en surveillantie.

Afkortingen

AFM:

Atoomkrachtmicroscopie

PDMS:

Polydimethylsiloxaan