Hochempfindlicher Infrarotpolarisator auf Basis von Schwefelabfällen

Jul 30, 2023

27. Dezember 2022

von der Hanyang-Universität

Polarimetrische Bilder können Informationen wie Schattierung und Oberflächenmorphologien liefern, indem Polarisatoren verwendet werden, die das transversale elektrische (TE) Feld selektiv reflektieren und das transversale magnetische (TM) Feld von unpolarisiertem einfallendem Licht durchlassen. Aktuelle IR-Polarisatoren basieren jedoch hauptsächlich auf teuren und spröden Keramiken (wie Halbleitern und Chalkogeniden) mit Nanogittern, die normalerweise durch zeit- und kostenaufwändige Interferenzlithographie hergestellt werden.

In jüngster Zeit hat ein schwefelreiches Polymer, das durch „inverse Vulkanisation“ synthetisiert wurde, aufgrund seiner intrinsisch hohen Durchlässigkeit im IR-Bereich große Aufmerksamkeit als geeigneter Kandidat für IR-Optiken erhalten. Das schwefelreiche Polymer besteht hauptsächlich aus einem Grundgerüst auf Basis von elementarem Schwefel. Bemerkenswert ist, dass jährlich 7 Millionen Tonnen Schwefel als Überschuss aus Erdölraffinierungsprozessen entstehen. Daher kann dieses schwefelreiche Polymer mit hoher wirtschaftlicher Machbarkeit in Massenproduktion hergestellt werden.

Im Gegensatz zu herkömmlichen IR-Materialien kann das schwefelreiche Polymer in einem organischen Lösungsmittel gelöst werden, was bedeutet, dass ein lösungsbasierter Prozess, der als Spin-Coating bezeichnet wird, angewendet werden kann. Darüber hinaus ermöglichen die Viskoelastizität und die dynamischen kovalenten Disulfidbindungen die Formung des schwefelreichen Polymers zu verschiedenen Nanostrukturen durch thermische Verarbeitung, dargestellt als thermische Nanoimprinting-Lithographie (thermische NIL).

Als Struktur eines schwefelreichen Polarisators auf Polymerbasis ist die Doppelschichtstruktur möglich und kann durch die folgenden drei Schritte erhalten werden: (1) Schleuderbeschichten einer schwefelreichen Polymerlösung, (2) thermisches NIL auf einen schleuderbeschichteten schwefelreichen Polymerfilm und (3) Metallabscheidung auf den Nanogittern. Der schwefelreiche, polymerbasierte Polarisator besteht aus einem selbstausrichtenden zweischichtigen Metallgitter (obere und untere Au-Schicht) und einer Abstandsschicht (die als optischer Hohlraum dient).

Für hochempfindliche Polarisatoren ist es erforderlich, sowohl eine hohe TM-Transmission als auch ein Extinktionsverhältnis (ER; das Verhältnis von TM-Transmission zu TE-Transmission) für einen breitbandigen IR-Bereich zu haben. Während der thermischen NIL ist es aufgrund der hohen Oberflächenspannung, die aus einem hohen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen resultiert, schwierig, hochwertige Nanogitter der nanoskaligen Masterform unter Verwendung des viskoelastischen schwefelreichen Polymers zu reproduzieren die Urform.

Schlechte thermische NIL führt zu Nanogittern mit geringer Wiedergabetreue, die runde und wellenförmige Gitter aufweisen, wodurch die Verbindung der oberen und unteren Metallschichten nach der Metallabscheidung induziert wird und sich die Empfindlichkeit des Polarisators verschlechtert. Darüber hinaus ist es schwierig, die Empfindlichkeit des Polarisators zu maximieren, indem die Bedingungen für die Anzeige der Febry-Pérot-Resonanz für maximale TM-Transmission erfüllt werden, ohne die Dicke des Abstandshalters anzupassen, der als optischer Hohlraum verwendet wird. Wenn das einfallende Licht den zweischichtig strukturierten Polarisator passiert, kommt es in der Abstandsschicht, die als optischer Hohlraum fungiert, zu Mehrfachreflexionen. Bei der Febry-Pérot-Resonanz handelt es sich um einen Zustand, bei dem reflektiertes Licht in Phase ist und konstruktive Interferenz erzeugt.

Unter der Leitung von Jeong Jae (JJ) Wie, außerordentlicher Professor am Department of Organic and Nano Engineering der Hanyang-Universität, gelang es den Forschern schließlich, einen hochempfindlichen Polarisator auf der Basis eines schwefelreichen Polymers zu entwickeln. Zu diesem Zweck optimierte das Forschungsteam die thermischen NIL-Bedingungen, um entworfene Nanogitter mit hoher Qualität zu reproduzieren, und untersuchte die Abstandshalterdicke, um die TM-Transmission für alle MWIR-Bereiche zu maximieren.

Das in Advanced Materials veröffentlichte Forschungsteam demonstrierte erfolgreich einen IR-Polarisator auf der Basis eines schwefelreichen Polymers mit einem Abstand von 400 nm, der durch numerische Simulationen unter Berücksichtigung der optischen Leistung und der Herstellungsschwierigkeiten entworfen wurde. Das hochpräzise 1D-Nanogitter wurde auf einer Fläche von 1 × 1 cm2 durch systematische Untersuchung thermischer NIL-Bedingungen, einschließlich Temperatur, Druck und Zeit, unter Berücksichtigung der Beziehung zwischen Zeit und Druck, erklärt durch Stefans Squeeze-Flow-Gleichung und thermischer, erhalten Verhalten schwefelreicher Polymere wie Glasübergang und thermischer Abbau.

Ein beispielloser Meilenstein auf diesem Gebiet: Die Dicke des schwefelreichen Polymerabstandshalters konnte über einen weiten Bereich von 40 nm bis 5.100 nm als Funktion der Konzentration der schwefelreichen Polymerlösung eingestellt werden. Als Ergebnis entsprach die optische Leistung des Polarisators auf schwefelreicher Polymerbasis TM-Transmissionen von 0,65, 0,59 und 0,43 und ERs von 3,12 × 103, 5,19 × 103 und 5,81 × 103 bei 4 μm für Abstandshalterdicken von 90, 338 bzw. 572 nm. Insbesondere der ER von 5,81 × 103 bei MWIR ist ein Weltrekord unter den berichteten schwefelreichen Polarisatoren auf Polymerbasis (19,1-mal höher als der von zuvor berichteten polymeren Polarisatoren auf Schwefelbasis).

Mehr Informationen: Woongbi Cho et al., Hochempfindliche und kostengünstige Polymer-Schwefel-basierte mittelwellige Infrarot-Linearpolarisatoren mit maßgeschneiderter Fabry-Pérot-Resonanz, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202209377

Zeitschrifteninformationen:Fortgeschrittene Werkstoffe

Zur Verfügung gestellt von der Hanyang-Universität