Struktur Kerut Mikro/Nano Sangat Merenggang untuk Aplikasi Inframerah Stealth

Hasil dan Diskusi

Mekanisme Siluman Inframerah

Skema struktur pemantulan inframerah digambarkan pada Gambar 1. Kami menyelidiki sifat pemantulan inframerah berdasarkan struktur segitiga. Model siluman inframerah disimulasikan oleh perangkat lunak Zemax. Karena cahaya datang pada struktur datar, sebagian besar cahaya datang akan dipantulkan sepanjang arah yang ditentukan mengikuti hukum pemantulan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Ketika cahaya mengenai struktur segitiga, sebagian besar cahaya jatuh di dalam struktur trap segitiga dan hanya cahaya serasah yang dapat dipantulkan keluar dari struktur segitiga, seperti yang digambarkan pada Gambar 1b. Artinya, karena cahaya inframerah masuk ke dalam struktur segitiga, sebagian besar cahaya inframerah tidak akan terdeteksi menggunakan mekanisme pantulan cahaya. Struktur segitiga ini tidak terlihat oleh teknik deteksi inframerah.

Model mekanisme inframerah. a Cahaya adalah insiden pada film datar; b pada struktur segitiga

Fabrikasi Struktur Kerut Segitiga

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, struktur kerutan segitiga dibuat menggunakan teknologi MEMS, yang telah dilaporkan dalam pekerjaan kami sebelumnya [19]. Pertama, photoresist positif dilapisi spin pada wafer silika pada 3000 rad/menit dan dipanggang pada 105 °C selama 90 detik. Kedua, wafer terkena dosis 135 mJ/cm ² dengan pelurus masker dan dipanggang pada suhu 115 °C selama 120 d untuk membentuk ikatan silang yang kuat. Setelah wafer mendingin secara bertahap, struktur direndam dalam pengembang positif (40 detik). Ketiga, etsa SiO₂ menggunakan etsa oksida buffer dan etsa Si menggunakan TMAH 15% berat + 17 vol% isopropil alkohol (22 mnt). Keempat, sebuah SiO₂ lapisan telah dihapus oleh asam fluorida. Kemudian, struktur seperti segitiga diperoleh, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a [6]. Kelima, cetakan PDMS dibuat dengan mencampur elastomer PDMS cair dan bahan pengawet dengan perbandingan volume 10:1, yang dituangkan ke dalam cetakan Si dan dikeringkan secara termal pada suhu 80 °C selama 1,5 jam untuk mendapatkan struktur segitiga pada cetakan. permukaan substrat PDMS untuk membentuk cetakan PDMS. Kemudian, sebuah SiO_x lapisan dan kelompok hidrofilik (misalnya, -OH) telah terbentuk pada permukaan substrat PDMS di bawah perlakuan plasma oksigen pada 150 W selama 15 detik. Sampel kemudian direndam dalam larutan SDS selama 15 detik untuk memasukkan -SO₃ ⁻ kelompok di permukaan struktur PDMS berkerut segitiga. Proses ini dapat memperkenalkan reaksi kondensasi fungsi hidrofilik antara PDMS dan logam mulia (Ag, Au) dan bahan oksida (SiO₂ , TiO₂ ), yang telah dilaporkan secara rinci dalam pekerjaan kami sebelumnya [20,21,22]. Akhirnya, struktur kerutan segitiga logam atau oksida diperoleh dengan melapisi logam atau oksida pada permukaan cetakan PDMS menggunakan teknologi penguapan berkas elektron, yang telah dilaporkan secara rinci dalam pekerjaan kami sebelumnya [20,21,22].

Proses fabrikasi dan karakterisasi morfologi struktur kerut segitiga pada substrat polydimethylsiloxane (PDMS). a Proses fabrikasi Ag (SiO₂ /TiO₂ )-tertanam struktur kerut segitiga. b Gambar optik. c gambar AFM. d Keseragaman periodisitas untuk sampel

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b-d, periodisitas struktur kerutan segitiga seragam, dan periodisitasnya sekitar (10 ± 0,1) m pada seluruh permukaan sampel yang diuji dengan mikroskop gaya atom. Dan ukuran sampel sekitar 4 mm × 4 mm. Periodisitas yang diinginkan dicapai dengan menyetel ukuran struktur topeng dan parameter etsa, yang dapat dihitung seperti yang diperkenalkan dalam penelitian kami sebelumnya [19].

Pengujian Siluman Inframerah

Dalam pekerjaan kami, struktur kerutan segitiga logam pertama kali dibuat untuk menyelidiki efek pantulan inframerah. Karena keuletan yang tinggi, kelenturan yang sangat baik, dan kekerasan serta biaya yang relatif rendah, bahan Ag logam telah dipilih untuk memproduksi film reflektif inframerah. Struktur kerutan segitiga Ag telah dibuat mengikuti proses Gambar 2a.

Sebelum aktuasi mekanis, ketika seberkas cahaya datang pada ujung struktur reflektif inframerah segitiga (Gbr. 3a), sebagian besar sinar inframerah (garis merah) telah disebarkan oleh ujung (garis biru) dan hanya sedikit cahaya dapat dipantulkan (garis hijau) ke dalam detektor. Sedangkan setelah aktuasi mekanis, permukaan struktur segitiga dapat diregangkan secara bertahap menjadi bidang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Dalam kasus ini, sebagian besar cahaya yang datang akan dipantulkan ke dalam detektor.

Modulasi mekanis dari reflektansi broadband. a Perubahan morfologi permukaan dan pantulan cahaya inframerah dari struktur kerutan segitiga Ag sebelum aktuasi mekanis. b Setelah aktuasi mekanis. c Spektrum reflektansi inframerah dari struktur kerutan segitiga Ag sebelum aktuasi mekanis. Reflektansi total (jejak merah) ditampilkan bersama dengan komponen pantulannya (jejak hitam) dan difus (jejak biru). d Setelah aktuasi mekanis. e Plot total, refleksi, dan reflektansi puncak difus dari struktur kerutan segitiga Ag sebagai fungsi dari regangan panjang yang diterapkan. f Uji stabilitas struktur kerutan segitiga Ag dengan peregangan/pelepasan lebih dari 500 siklus

Spektrum inframerah yang sesuai telah membuktikan hasil di atas dalam percobaan kami seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c. Sebagai struktur kerutan segitiga yang tidak digerakkan, ia menampilkan reflektansi total rata-rata tinggi 46 ±2%, pantulan rata-rata rendah < 13%, dan cahaya difus rata-rata sedang 33 ± 2%. Oleh karena itu, reflektansi total menampilkan refleksi rata-rata lemah 13 ± 2% dan komponen difus rata-rata dominan 33 ± 2%, dalam rasio ~ 0,4. Setelah meregangkan struktur kerutan segitiga secara mekanis (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3d), spektrum inframerah yang sesuai menampilkan peningkatan reflektansi total rata-rata sebesar 97 ± 1%, pantulan rata-rata yang tinggi sebesar 89 ± 1%, dan total cahaya difus rata-rata yang rendah dari 8 ± 1%.

Dari hasil percobaan, reflektifitas meningkat dari 13 menjadi 89% dengan meregangkan struktur kerutan Ag segitiga. Juga, cahaya difus telah berkurang dari 33 menjadi 8%. Alasannya adalah bahwa struktur kerutan Ag segitiga telah diregangkan menjadi film bidang Ag. Cahaya datang dapat dipantulkan sepanjang sudut tertentu dari film pesawat mengikuti hukum pemantulan. Karena reflektifitas tinggi dari film pesawat, reflektansi total dapat mencapai 100% secara teori dan cahaya difus hanya sedikit. Mengingat permukaan film Ag yang kasar, pantulan akan berkurang (89%) dan cahaya yang menyebar akan meningkat (8%).

Sementara itu, dibandingkan dengan struktur kerut, cahaya yang menyebar berkurang dari 33 menjadi 8% dari film pesawat. Alasannya adalah bahwa kekasaran struktur kerutan Ag segitiga adalah sekitar ~ 1 μm tergantung pada ketinggian struktur kerutan. Namun untuk film bidang Ag, kekasarannya sekitar ~ 20 nm atau lebih kecil, yang merupakan kekasaran film Ag. Oleh karena itu, cahaya yang menyebar dapat dikurangi lebih lanjut dengan mengoptimalkan parameter teknologi penguapan berkas elektron.

Dalam hal ini, reflektansi total menampilkan pantulan rata-rata yang jauh lebih besar yaitu 89 ± 1% dan komponen cahaya difus rata-rata yang lebih kecil sebesar 8 ± 1%, dalam rasio ~ 11. Oleh karena itu, rasio pantulan-ke-difusi kira-kira meningkatkan urutan besarnya berdasarkan struktur kerutan segitiga.

Secara umum, reflektansi total struktur kerutan segitiga pada panjang gelombang broadband meningkat sebagai fungsi dari regangan (Gbr. 3e). Reflektifitas meningkat dengan regangan, tetapi difus berkurang, karena meregangkan film Ag kerutan segitiga menjadi rata. Sifat pantulan inframerah sepenuhnya dapat dibalik pada aktuasi mekanis berulang yang berkontribusi pada sifat struktur kerut yang sangat dapat diregangkan. Dan hanya sedikit penurunan performa yang diamati setelah 500 siklus (Gbr. 3f). Dengan demikian, aktuasi mekanis dari struktur kerutan segitiga kami menginduksi perubahan, yang dapat dibalik dan dimodulasi secara dinamis dari reflektansi broadband dalam wilayah inframerah panjang gelombang pendek hingga panjang.

Secara umum, dibandingkan dengan teknologi inframerah pita lebar, pita inframerah sempit memiliki rasio signal-to-noise yang lebih tinggi dan ketertelusuran yang lebih mudah untuk deteksi target inframerah, ketajaman, dan aplikasi pelacakan.

Oleh karena itu, untuk meningkatkan presisi deteksi target inframerah, ketajaman, dan teknologi pelacakan, efek pantulan inframerah pita sempit dari struktur kerutan segitiga telah diselidiki seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4.

Modulasi mekanis dari reflektansi pita sempit. a Perubahan morfologi permukaan dan pantulan cahaya inframerah TiO₂ /SiO₂ Struktur modifikasi tumpukan Bragg sebelum aktuasi mekanis. b Setelah aktuasi mekanis. c Spektrum reflektansi inframerah dari TiO₂ /SiO₂ Struktur modifikasi tumpukan Bragg dengan intensitas pantulan puncak pada 5 m sebelum penggerak mekanis. Reflektansi total (jejak merah) ditampilkan bersama dengan komponen pantulannya (jejak hitam) dan difus (jejak biru). d Setelah aktuasi mekanis. e Spektrum inframerah dari tiga perangkat yang tidak digerakkan yang telah dirancang untuk menampilkan panjang gelombang reflektansi puncak 3 μm (jejak merah), 4 μm (jejak biru), dan 5 μm (jejak hitam). f Plot total, refleksi, dan reflektansi puncak difus TiO₂ /SiO₂ Struktur modifikasi tumpukan Bragg sebagai fungsi dari regangan panjang yang diterapkan

Untuk mendapatkan puncak reflektansi inframerah pita sempit, TiO₂ /SiO₂ /TiO₂ /SiO₂ /TiO₂ lapisan dengan ketebalan _puncak /(4 × n _TiO2 ) dan _puncak /(4 × n _SiO2 ) telah dirancang. Struktur dibuat menurut protokol litografi standar seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. TiO₂ /SiO₂ Tumpukan Bragg dengan intensitas pantulan puncak pada 5 μm diproduksi dengan SiO₂ ketebalannya adalah 0,933 μm dan TiO₂ ketebalan 0,543 μm oleh sistem Angstrom Engineering EvoVac. Struktur pantulan inframerah pita sempit terdiri dari dua lapis SiO₂ dan TiO tiga lapis₂ . Dan ukuran struktur pantulan inframerah pita sempit berdasarkan struktur kerutan segitiga adalah sekitar 4 mm × 4 mm.

Dalam karya kami, sebelum aktuasi mekanis, struktur pantulan inframerah pita sempit berdasarkan struktur kerutan segitiga, spektrum inframerah menampilkan intensitas pantulan total 18 ± 2% pada panjang gelombang 5 μm, dengan pantulan rata-rata lemah 5 ± 2% dan komponen difus rata-rata 13 ± 2%, dalam rasio ~ 0,38, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c.

Setelah aktuasi mekanis, intensitas pantulan total meningkat hingga 63 ± 4% pada panjang gelombang 5 μm, dengan komponen pantulan yang jauh lebih besar yaitu 50 ± 3% dan komponen difus yang hampir tidak berubah sebesar 13 ± 2% dalam rasio ~ 3,8 (seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d). Hasil ini konsisten dengan film reflektif yang dimodifikasi Ag berdasarkan struktur kerutan segitiga. Reflektifitas meningkat dari 5 menjadi 63% yang disebabkan oleh segitiga TiO₂ /SiO₂ struktur kerut multi-layer telah diregangkan menjadi film pesawat. Cahaya inframerah yang datang dapat dipantulkan sepanjang sudut tertentu dari film bidang untuk meningkatkan reflektifitas.

Demikian pula, untuk struktur reflektifitas inframerah pita sempit yang didasarkan pada struktur kerutan segitiga, rasio pantulan terhadap difusi berkurang sekitar satu urutan besarnya pada panjang gelombang 5 m. Selain itu, hasil yang sama dapat dibuktikan pada panjang gelombang 3, 4, dan 5 μm (karena perubahan ketebalan TiO₂ dan SiO₂ ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e.

Secara umum, reflektansi total struktur kerutan segitiga pada panjang gelombang broadband meningkat sebagai fungsi dari regangan (Gbr. 4f). Refleksi meningkat dengan regangan, tetapi komponen difus tetap relatif tidak terpengaruh. Alasannya adalah bahwa kekasaran struktur kerutan segitiga dan film pesawat berukuran hampir sama. Ketinggian struktur kerutan berkurang dari ~ 1 μm menjadi ~ 200 nm dengan menutupi TiO₂ atau SiO₂ film. Karena sudut antara dua struktur segitiga akan menutupi lebih banyak film daripada area lain, yang akan mengurangi ketinggian TiO₂ /SiO₂ struktur kerut film multi-layer. Semakin ketebalan film meningkat, semakin tinggi berkurang. Sedangkan untuk TiO₂ /SiO₂ film datar, kekasarannya sekitar ~ 50 nm yang disebabkan oleh kualitas oksida yang lebih buruk daripada logam yang menggunakan teknologi MEMS.

Demonstrasi Contoh Aplikasi

Sebagai bukti konsep untuk infra merah siluman struktur kerut segitiga, kami mengevaluasi struktur siluman inframerah kami untuk menyembunyikan diri di bawah visualisasi inframerah.

Kami merancang dan memproduksi film reflektif inframerah yang dimodifikasi Au dengan struktur susunan tiga kali tiga. Ukuran sampel adalah 5 cm × 5 cm dan dicitrakan oleh kamera inframerah termal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a. Struktur susunan tiga kali tiga berfungsi sebagai label yang terdiri dari bahan komposit PDMS-nanodiamond, yang memiliki bahan transmisi inframerah tinggi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b.

Siluman reversibel dari struktur modifikasi Au dalam inframerah. a Skema struktur yang dimodifikasi Au di bawah fluks termal konstan (kiri) sebelum dan (kanan) setelah aktuasi mekanis. b Gambar optik dari struktur yang dimodifikasi Au. c Karakteristik morfologi mikroskopis untuk struktur kerutan segitiga dengan meningkatnya regangan. d Gambar kamera inframerah yang sesuai dari struktur modifikasi Au yang sama dengan peningkatan ketegangan

Sebelum aktuasi mekanis, struktur kerut triangular Au-modified diamati dengan jelas oleh mikroskop confocal pemindaian laser seperti yang ditunjukkan pada sisipan pada Gambar 5c (kiri). Dari tampilan penampang inset, struktur segitiga dapat terlihat dengan jelas. Dan gambar inframerah yang sesuai dapat ditunjukkan pada Gambar. 5d (kiri). Tanpa aktuasi, hanya ada garis besar keseluruhan struktur film yang dimodifikasi Au. Ketika regangan meningkat dari 0 menjadi 60%, struktur kerutan segitiga telah diregangkan menjadi rata dan tingginya menurun menjadi nol, yang diamati oleh mikroskop confocal pemindaian laser. Dan gambar inframerah yang sesuai telah menunjukkan bahwa struktur film yang dimodifikasi Au secara bertahap menjadi merah yang disebabkan oleh peningkatan reflektifitas inframerah. Dan struktur susunan tiga kali tiga muncul menjadi lubang. Oleh karena itu, hasilnya membuktikan efek siluman inframerah dari struktur kerutan segitiga dengan keunggulan pengulangan, stabilitas, dan reversibilitas penuh.