Nanowarstwy – sposób na zmianę koloru powierzchni materiałów

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda (USA) stworzyli nowy rodzaj powłoki optycznej zmieniającej barwę wraz ze zmianą jej grubości. Powłoki te, o grubości mniejszej niż 20 nanometrów, mogą być wykorzystywane do dostosowywania koloru metalowych powierzchni, dzięki czemu możliwym będzie wytwarzanie np. ładnej biżuterii, albo wielu zaawansowanych technologicznie urządzeń, takich jak ultracienkie detektory światła, filtry, wyświetlacze, modulatory a nawet ogniwa słoneczne.

Konwencjonalne dielektryczne powłoki optyczne, stanowiące kluczowy element niemal każdego urządzenia optycznego, są zazwyczaj wykonane z transparentnych (przezroczystych) warstw materiałów. Grubość tych warstw jest zazwyczaj równa około jednej czwartej długości fali promieniowania elektromagnetycznego padającego na ich powierzchnię. Nowe ultracienkie powłoki optyczne wytworzone przez zespół Federico Capasso z Uniwersytetu Harvarda różnią się przede wszystkim tym, że składają się z nanometrowej grubości warstw półprzewodników, charakteryzujących się wysokim stopniem absorpcji światła.

Różowe złoto

Naukowcy pokazali na przykład, że pokrycie próbek złota siedmionanometrową warstwą germanu powoduje zmianę koloru powierzchni tego metalu ze złotego na różowy. Osadzenie na niej kolejnej, tym razem czteronanometrowej warstwy germanu, pozwala uzyskać z kolei barwę fioletową, czy nawet (po dodaniu kolejnych czterech nanometrów germanu) ciemnoniebieską (warstwa o grubości czterech nanometrów odpowiada około piętnastu warstwom atomowym). „Efekt ten jest podobny do tego, jaki występuje wtedy, gdy na mokrej drodze znajduje się cienka warstwa oleju, która mieni się różnymi kolorami”, wyjaśnił Capasso.

Mieniąca się wieloma kolorami powierzchnia oleju jest efektem interferencji fal świetlnych, które przechodząc np. przez warstwę oleju i poruszając się w kierunku wody, znajdującej się pod olejem, są z powrotem od niej odbijane. Niektóre fale padające i odbite ulegają zjawisku konstruktywnej interferencji, czego następstwem jest ich wzmocnienie, podczas gdy pozostałe fale ulegają destruktywnej interferencji i w efekcie są absorbowane przez warstwę oleju.

Zmiana grubości nanowarstwy = zmiana warunków interferencji światła

„W naszym przypadku warstwa oleju została zastąpiona przez, absorbującą światło, nanowarstwy półprzewodnikowego germanu”, powiedział Capasso. Bardzo zadziwił nas fakt, że różnica nawet kilku warstw atomowych, z których składała się taka powłoka, powodowała tak znaczącą zmianę jej koloru. „Zmieniając grubość powłoki, zmienialiśmy warunki interferencji światła, dzięki czemu mogliśmy wpływać na długość fal odbijanych i absorbowanych przez taką powłokę i w efekcie wpływać na jej kolor.”

„Planujemy kontynuować badania koncentrujące się zarówno na artystycznej strony tej pracy tj. „wytwarzać” różne kolory powłok, jak i nad potencjalnymi zastosowaniami technologicznymi naszych powłok”, powiedział Kats Mikhail, jeden z członków grupy Capasso. Amerykańscy naukowcy złożyli już wniosek patentowy dotyczący procesu wytwarzania powłok optycznych – wykorzystujący standardową litografię oraz technikę osadzania materiału z fazy gazowej – i obecnie pracują nad komercjalizacją opracowanej przez siebie technologii.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com