Zeer rekbare micro/nano-rimpelstructuren voor infrarood stealth-toepassing

Resultaten en discussie

Infrarood stealth-mechanisme

Schema's van de infraroodreflecterende structuren zijn weergegeven in Fig. 1. We hebben de eigenschappen van infraroodreflectie onderzocht op basis van de driehoekige structuur. Het model van infrarood stealth werd gesimuleerd door de software van Zemax. Omdat het licht op een platte structuur viel, zou het invallende licht het meest worden gereflecteerd in een bepaalde richting volgens de reflectiewet, zoals weergegeven in figuur 1a. Toen het licht op de driehoekige structuren viel, viel het meeste licht in de driehoekige valstructuren en alleen een strooilicht kan uit de driehoekige structuren reflecteren, zoals weergegeven in Fig. 1b. Dat wil zeggen, aangezien het infraroodlicht in de driehoekige structuur viel, zou het meeste infraroodlicht niet worden gedetecteerd met behulp van het reflectiemechanisme van licht. Deze driehoekige structuur kan onzichtbaar zijn voor de infrarooddetectietechniek.

Model van infrarood mechanisme. een Er viel licht op de vlakke film; b op de driehoekige structuren

Vervaardiging van driehoekige rimpelstructuur

Zoals getoond in Fig. 2, werden de driehoekige rimpelstructuren gefabriceerd met behulp van de MEMS-technologie, die is gerapporteerd in ons vorige werk [19]. Eerst werd een positieve fotoresist gespincoat op de silicawafel met 3000 rad / min en 90 s gebakken bij 105 ° C. Ten tweede werd de wafer blootgesteld aan een dosis van 135 mJ/cm ² met een mask aligner en gebakken bij 115 ° C gedurende 120 s om sterke crosslinks te vormen. Nadat de wafel geleidelijk was afgekoeld, werd de structuur ondergedompeld in een positieve ontwikkelaar (40 s). Ten derde, ets SiO₂ met behulp van een gebufferde oxide-ets en ets Si met 15 gew.% TMAH +  17 vol% isopropylalcohol (22 min). Ten vierde, een SiO₂ laag werd verwijderd door het fluorwaterstofzuur. Vervolgens werd een driehoekige structuur verkregen, zoals weergegeven in figuur 2a [6]. Ten vijfde werd een PDMS-vorm gemaakt door het vloeibare PDMS-elastomeer en het verharder in een volumeverhouding van 10:1 te mengen, die op de Si-vorm werd gegoten en gedurende 1,5 uur thermisch uitgehard bij 80 °C om de driehoekige structuur op de oppervlak van PDMS-substraat om de PDMS-mal te vormen. Dan een SiO_x laag en hydrofiele groepen (bijv. -OH) zijn gevormd op het oppervlak van het PDMS-substraat onder zuurstofplasmabehandeling bij 150 W gedurende 15 s. Het monster werd vervolgens gedurende 15 s ondergedompeld in een SDS-oplossing om -SO₃ . te introduceren ⁻ groepen aan het oppervlak van de driehoekige gerimpelde PDMS-structuur. Dit proces kan een condensatiereactie van hydrofiele functionaliteiten introduceren tussen het PDMS en edelmetaal (Ag, Au) en oxidematerialen (SiO₂ , TiO₂ ), die in detail zijn gerapporteerd in ons vorige werk [20,21,22]. Ten slotte werd een driehoekige rimpelstructuur van metaal of oxide verkregen door het metaal of oxide op het oppervlak van de PDMS-mal te coaten met behulp van de elektronenstraalverdampingstechnologie, die in ons eerdere werk [20,21,22] in detail is beschreven.

Fabricageproces en morfologiekarakterisering van de driehoekige rimpelstructuren op de polydimethylsiloxaan (PDMS) substraten. een Fabricageproces van de Ag (SiO₂ /TiO₂ )-ingebedde driehoekige rimpelstructuren. b Optisch beeld. c AFM-afbeelding. d De uniformiteit van periodiciteit voor de monsters

Zoals getoond in Fig. 2b-d, was de periodiciteit van driehoekige rimpelstructuren uniform en was de periodiciteit ongeveer (10 ±  0, 1) μm op het hele oppervlak van het monster getest met atoomkrachtmicroscopie. En de grootte van het monster was ongeveer 4 mm  ×  4 mm. De gewenste periodiciteit werd bereikt door de grootte van maskerstructuren en etsparameters af te stemmen, die kunnen worden berekend zoals geïntroduceerd in onze eerdere onderzoeken [19].

Infrarood stealth-testen

In ons werk zijn de metalen driehoekige rimpelstructuren eerst gefabriceerd om het infraroodreflectie-effect te onderzoeken. Vanwege de hoge ductiliteit, uitstekende buigbaarheid en relatief lage hardheid en kosten, zijn metalen Ag-materialen geselecteerd om de infraroodreflecterende film te vervaardigen. De Ag-driehoekige rimpelstructuren zijn vervaardigd volgens het proces van Fig. 2a.

Vóór mechanische activering, wanneer een lichtstraal op de punt van de driehoekige infraroodreflecterende structuur (Fig. 3a) valt, is het grootste deel van de infraroodstraal (rode lijn) verspreid door de punt (blauwe lijn) en slechts een klein beetje licht kan worden gereflecteerd (groene lijn) in de detector. Terwijl na mechanische activering het oppervlak van de driehoekige structuur geleidelijk kan worden uitgerekt om vlak te zijn, zoals weergegeven in figuur 3b. In dat geval zou het meeste invallende licht in de detector reflecteren.

Mechanische modulatie van de breedbandreflectie. een De verandering in de oppervlaktemorfologie en de reflectie van infrarood licht van de Ag-driehoekige rimpelstructuren vóór mechanische activering. b Na mechanische bediening. c De infraroodreflectiespectra van de Ag-driehoekige rimpelstructuren vóór mechanische activering. De totale reflectie (rode sporen) worden weergegeven samen met hun reflectie (zwarte sporen) en diffuse (blauwe sporen) componenten. d Na mechanische bediening. e Plots van de totale reflectie en diffuse piekreflectie van de Ag-driehoekige rimpelstructuren als functies van de toegepaste lengterek. v Stabiliteitstest van de driehoekige rimpelstructuren van Ag met meer dan 500 cycli uitrekken/loslaten

De overeenkomstige infraroodspectra hebben de bovenstaande resultaten in ons experiment bewezen, zoals weergegeven in figuur 3c. Als niet-aangedreven driehoekige rimpelstructuren had het een hoge gemiddelde totale reflectie van 46 ± 2%, een lage gemiddelde reflectie van < 13% en een matig gemiddeld diffuus licht van 33 ± 2%. De totale reflectie vertoonde dus een zwakke gemiddelde reflectie van 13 ± 2% en een dominante gemiddelde diffuse component van 33 ± 2%, in een verhouding van ~ 0.4. Na het mechanisch uitrekken van de driehoekige rimpelstructuren (zoals weergegeven in Fig. 3d), vertoonden de overeenkomstige infraroodspectra een verhoogde gemiddelde totale reflectie van 97 ± 1%, een hoge gemiddelde reflectie van 89 ± 1% en een laag gemiddeld totaal diffuus licht van 8 ± 1%.

Uit de experimentresultaten bleek dat de reflectiviteit toenam van 13 tot 89% bij het uitrekken van de driehoekige Ag-rimpelstructuren. Ook is het diffuse licht teruggebracht van 33 naar 8%. De reden was dat de driehoekige Ag-rimpelstructuren zijn uitgerekt om Ag-vlakfilm te zijn. Het invallende licht kan onder een bepaalde hoek van de vlakke film reflecteren volgens de wet van reflectie. Vanwege de hoge reflectiviteit van vlakke film kan de totale reflectie in theorie tot 100% zijn en was het diffuse licht slechts een kleine hoeveelheid. Gezien het ruwe oppervlak van Ag-film, zou de reflectie worden verminderd (89%) en het diffuse licht toenemen (8%).

Ondertussen, vergeleken met de rimpelstructuur, verminderde het diffuse licht van 33 tot 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-vlakfilm was de ruwheid ongeveer ~ 20 nm of kleiner, wat de ruwheid was van Ag-film. Daarom kan het diffuse licht verder worden verminderd door de technologische parameter van elektronenstraalverdamping te optimaliseren.

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

Over het algemeen nam de totale reflectie van driehoekige rimpelstructuren bij breedbandgolflengte toe als een functie van de spanning (figuur 3e). De reflectiviteit nam toe met de spanning, maar de diffuse verminderde, omdat de driehoekige rimpel Ag-film werd uitgerekt om plat te worden. De infraroodreflectie-eigenschappen waren volledig omkeerbaar bij herhaalde mechanische activering, wat bijdroeg aan de zeer rekbare eigenschap van rimpelstructuren. En er is slechts een kleine prestatievermindering waargenomen na 500 cycli (Fig. 3f). Dus mechanische activering van onze driehoekige rimpelstructuren veroorzaakte een verandering, die omkeerbaar en dynamisch kan worden gemoduleerd van de breedbandreflectie binnen het korte- tot lange-golflengte-infraroodgebied.

In het algemeen, in vergelijking met de breedband-infraroodtechnologie, heeft de smalle infraroodband een hogere signaal-ruisverhouding en gemakkelijker traceerbaarheid voor infrarood doeldetectie, onderscheidingsvermogen en volgtoepassing.

Om de precisie van infrarood doeldetectie, onderscheidingsvermogen en volgtechnologie te verbeteren, is het smalband infraroodreflectie-effect van driehoekige rimpelstructuren onderzocht, zoals weergegeven in figuur 4.

Mechanische modulatie van de smalbandreflectie. een De verandering in de oppervlaktemorfologie en de reflectie van infrarood licht van een TiO₂ /SiO₂ Bragg-stack-gemodificeerde structuren vóór mechanische activering. b Na mechanische bediening. c De infraroodreflectiespectra van een TiO₂ /SiO₂ Bragg-stack-gemodificeerde structuren met een piekreflectie-intensiteit bij 5 m vóór mechanische activering. De totale reflectie (rode sporen) worden weergegeven samen met hun reflectie (zwarte sporen) en diffuse (blauwe sporen) componenten. d Na mechanische bediening. e De infraroodspectra van drie niet-aangedreven apparaten die zijn ontworpen met piekreflectiegolflengten van 3 m (rood spoor), 4 m (blauw spoor) en 5 μm (zwart spoor). v Plots van de totale reflectie, reflectie en diffuse piekreflectie van de TiO₂ /SiO₂ Bragg-stack-gemodificeerde structuren als functies van de toegepaste lengterek

Om smalband infraroodreflectiepiek te verkrijgen, afwisselend TiO₂ /SiO₂ /TiO₂ /SiO₂ /TiO₂ lagen met een dikte van λ_piek /(4 × n _TiO2 ) en λ_piek /(4 × n _SiO2 ) zijn ontworpen. De structuren werden vervaardigd volgens standaard lithografische protocollen zoals getoond in Fig. 2a. De TiO₂ /SiO₂ Bragg-stacks met een piekreflectie-intensiteit bij 5 μm werden 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 tweelaags SiO₂ en drielaagse TiO₂ . En de grootte van smalbandige infraroodreflectiestructuren op basis van de driehoekige rimpelstructuren was ongeveer 4 mm × 4 mm.

In onze werken, vóór mechanische activering, vertoonden de smalbandige infraroodreflectiestructuren op basis van de driehoekige rimpelstructuren, de infraroodspectra de totale reflectie-intensiteiten van 18 ± 2% bij een golflengte van 5μm, met een zwakke gemiddelde reflectie van 5 ± 2% en een gemiddelde diffuse component van 13 ± 2%, in een verhouding van ~ 0.38, zoals weergegeven in Fig. 4c.

Na mechanische activering namen de totale reflectie-intensiteiten toe tot 63 ± 4% bij een golflengte van 5μm, met een veel grotere reflectiecomponent van 50 ± 3% en een vrijwel onveranderde diffuse component van 13 ± 2% in een verhouding van ~ 3,8 (zoals weergegeven in figuur 4d). Dit resultaat was consistent met de Ag-gemodificeerde reflecterende film op basis van de driehoekige rimpelstructuren. De reflectiviteit nam toe van 5 tot 63%, veroorzaakt door de redenen dat de driehoekige TiO₂ /SiO₂ rimpelstructuren met meerdere lagen zijn uitgerekt om vlakke film te zijn. Het invallende infraroodlicht kan onder een bepaalde hoek van de vlakke film reflecteren om de reflectiviteit te verbeteren.

Evenzo verminderden de reflectie-tot-diffuse verhoudingen voor smalbandige infraroodreflectiviteitsstructuur op basis van de driehoekige rimpelstructuren met een golflengte van 5 μm met ongeveer één orde van grootte. Dezelfde resultaten kunnen ook worden bewezen bij de golflengten van 3, 4 en 5 μm (vanwege de verandering in dikte van de TiO₂ en SiO₂ ), zoals weergegeven in Fig. 4e.

Over het algemeen nam de totale reflectie van driehoekige rimpelstructuren bij breedbandgolflengte toe als een functie van de spanning (figuur 4f). De reflectie nam toe met de belasting, maar de diffuse componenten bleven relatief onaangetast. De reden was dat de ruwheid van de driehoekige rimpelstructuren en de vlakke film ongeveer even groot was. De hoogte van rimpelstructuren werd verminderd van ~ 1 μm tot ~ 200 nm met het afdekken van de TiO₂ of SiO₂ film. Omdat de hoek tussen twee driehoekige structuren meer film zou bedekken dan het andere gebied, wat de hoogte van TiO₂ zou verminderen /SiO₂ meerlaagse film rimpel structuren. Hoe meer de dikte van de film toenam, hoe meer de hoogte werd verminderd. Terwijl voor de TiO₂ /SiO₂ vlakke film, de ruwheid was ongeveer ~ 50 nm, veroorzaakt door de slechtere kwaliteit van het oxide dan het metaal met behulp van de MEMS-technologie.

Demonstratie van toepassingsvoorbeelden

Als proof-of-concept voor infrarood stealth van driehoekige rimpelstructuren, hebben we onze infrarood stealth-structuren geëvalueerd om zichzelf te verbergen onder infraroodvisualisatie.

We ontwierpen en vervaardigden een Au-gemodificeerde infrarood reflecterende film met drie-bij-drie array-structuren. De grootte van het monster was 5 cm × 5 cm en werd afgebeeld door een thermische infraroodcamera, zoals weergegeven in figuur 5a. De structuren van drie bij drie arrays dienden als het label dat bestond uit PDMS-nanodiamant-composietmaterialen, die materialen met een hoge infraroodtransmissie hebben, zoals weergegeven in figuur 5b.

Omkeerbare stealth van Au-gemodificeerde structuren in het infrarood. een Schema's van een Au-gemodificeerde structuur onder een constante thermische flux (links) voor en (rechts) na mechanische activering. b Optisch beeld van Au-gemodificeerde structuren. c De microscopische morfologische kenmerken voor driehoekige rimpelstructuren met toenemende belasting. d De bijbehorende infraroodcamerabeelden van dezelfde Au-gemodificeerde structuren met toenemende belasting

Vóór mechanische activering werden de driehoekige Au-gemodificeerde rimpelstructuren duidelijk waargenomen door de laserscanning confocale microscopie zoals weergegeven in de inzet in figuur 5c (links). Vanuit de doorsnede van de inzet is de driehoekige structuur duidelijk te zien. En het bijbehorende infraroodbeeld kan worden getoond in Fig. 5d (links). Zonder bediening was er slechts een algemeen overzicht van Au-gemodificeerde filmstructuren. Toen de spanning toenam van 0 tot 60%, was de driehoekige rimpelstructuur uitgerekt om plat te worden en nam de hoogte af tot nul, wat werd waargenomen door de confocale laser scanning microscopie. En het bijbehorende infraroodbeeld heeft aangetoond dat de met Au gemodificeerde filmstructuren geleidelijk rood worden als gevolg van de verhoogde infraroodreflectiviteit. En de structuur van drie bij drie arrays bleek een gat te zijn. Daarom bewijzen de resultaten het infrarood stealth-effect van de driehoekige rimpelstructuren met het voordeel van herhaalbaarheid, stabiliteit en volledige omkeerbaarheid.