211service.com
Materialen die geen licht reflecteren
Ongewenste reflecties beperken de prestaties van op licht gebaseerde technologieën, zoals zonnecellen, cameralenzen en light-emitting diodes (LED's). In zonnecellen zorgen reflecties bijvoorbeeld voor minder licht dat kan worden omgezet in elektriciteit. Nu hebben onderzoekers van het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), in Troy, NY, en halfgeleiderproducent Crystal IS, in Green Island, NY, een nieuw type nanogestructureerde coating ontwikkeld die reflecties vrijwel kan elimineren, wat mogelijk kan leiden tot dramatische verbeteringen in optische apparaten. Het werk is gepubliceerd in het huidige nummer van Natuurfotonica .
Geen reflectie zien: Twee stukken aluminiumnitride, een halfgeleidend materiaal dat kan worden gebruikt in lichtgevende apparaten, reflecteren verschillende hoeveelheden licht. Het stuk aan de bovenkant reflecteert 12 procent van het licht. Een nieuwe antireflectiecoating op het onderste stuk vermindert reflectie tot ongeveer 0,1 procent. De blauwachtige tint komt doordat de coating meer blauw licht laat reflecteren. Dergelijke coatings zouden veel optische apparaten kunnen verbeteren.
De onderzoekers toonden aan dat ze bijna alle reflectie van een breed scala aan golflengten van licht kunnen voorkomen door staafjes op nanoschaal te laten groeien die onder specifieke hoeken vanaf een oppervlak worden geprojecteerd. Conventionele antireflectiecoatings werken daarentegen alleen het beste voor specifieke kleuren. Daarom vertonen brillen met dergelijke coatings bijvoorbeeld nog steeds vage rode of groene reflecties. Fred Schubert, hoogleraar natuurkunde en elektrische, computer- en systeemtechniek bij RPI en een van de auteurs van de studie, zegt dat het materiaal reflecties van bijna alle kleuren van het zichtbare spectrum stopt, evenals wat infrarood licht, en het vermindert ook reflecties van licht dat uit meer richtingen komt dan conventionele coatings. Daardoor is de totale reflectie volgens hem 10 keer minder dan bij de huidige coatings.
Toegepast op een zonnecel zou de nieuwe coating de hoeveelheid geabsorbeerd licht met een paar procentpunten verhogen en omzetten in elektriciteit, zegt Schubert. Een opmerkelijkere verbetering van 40 procent was te zien in LED's, zegt hij, waarbij een grote hoeveelheid licht die wordt gegenereerd door een halfgeleider doorgaans door reflecties in het apparaat wordt opgesloten. Het werk maakt deel uit van een groeiende inspanning van onderzoekers om de eigenschappen van materialen, zoals hun optische eigenschappen, te veranderen door structuren op nanoschaal te controleren.
Om minder reflecterende oppervlakken te maken, creëerden de RPI-ingenieurs een meerlagige, poreuze coating die de overgang vereenvoudigt wanneer licht vanuit de lucht naar een vast materiaal gaat of wanneer licht wordt uitgestraald door een halfgeleider in een LED. Reflectiviteit houdt verband met het verschil tussen de hoeveelheid die twee stoffen, zoals lucht en glas, licht breken of buigen. Door het verschil te verkleinen, wordt reflectie verminderd waar twee materialen samenkomen. In de nieuwe coating buigt elke volgende laag het licht meer naarmate het licht vanuit de lucht in een substraat komt. Evenzo, zoals in het voorbeeld van een LED, wordt licht dat uit een halfgeleider komt in elke opeenvolgende laag minder gebogen totdat het de lucht bereikt.
De theorie hierachter is al tientallen jaren bekend, zegt Steven Johnson, hoogleraar toegepaste wiskunde aan het MIT, maar de uitdaging was om een structuur te fabriceren die zowel poreus als klein genoeg is om te werken met de korte golflengten van zichtbaar licht.
De RPI-onderzoekers maakten zo'n poreuze structuur door materialen op een oppervlak te deponeren om staafjes op nanoschaal te maken. Door het oppervlak te kantelen, is het mogelijk om de nanostaafjes onder een hoek te laten groeien. De onderzoekers ontdekten dat door de hoek van de nanostaafjes te veranderen, ze kunnen bepalen hoe de nanostaafjes licht buigen - de brekingsindex. Lucht heeft een brekingsindex van bijna één. De onderzoekers konden een toplaag van nanostaafjes maken met een ongekende index van 1,05, zegt Schubert. (Ter vergelijking: glas heeft een brekingsindex van 1,45 en een lichtemitterende halfgeleider, aluminiumnitride, heeft een index van ongeveer 2,05.) Elke volgende laag heeft een hogere brekingsindex totdat de laatste laag bijna overeenkomt met het substraat. De bovenste twee lagen bevatten glazen nanostaafjes. De onderste drie zijn gemaakt van titanium. De onderzoekers testten de coating op aluminiumnitride, maar het zou op verschillende ondergronden moeten werken, zegt Schubert.
We hebben een nieuwe klasse materialen ontwikkeld met een brekingsindex die lager is dan al het andere - elk ander levensvatbaar optisch dunnefilmmateriaal dat in het verleden beschikbaar was, zegt Schubert. Omdat alles in optica afhankelijk is van de brekingsindex, zegt hij dat het andere toepassingen kan hebben dan antireflecterende coatings. De nanostaafjes zouden inderdaad kunnen worden gebruikt om het tegenovergestelde te doen, door zeer sterk reflecterende spiegels te creëren door lagen nanostaafjes te combineren die het licht heel anders afbuigen, in plaats van door een geleidelijke overgang te creëren.
Schubert werkt samen met een spin-offbedrijf om de technologie te commercialiseren, en hij verwacht dat producten binnen drie tot vijf jaar beschikbaar kunnen zijn. De technologie zal concurreren met goedkope conventionele coatings en met andere nieuwe nanogestructureerde materialen. Dit is zeer elegant, mooi werk, zegt Michael Rubner, een professor in materiaalkunde en techniek aan het MIT. Ze zijn erin geslaagd om uitzonderlijk lage brekingsindexwaarden voor een coating te krijgen. De belangrijkste vraag is altijd de kosten versus de prestaties.