Une métasurface de sous-longueur d'onde peinte thermiquement produit une gamme éblouissante de couleurs qui ne changent pas avec l'angle de vision. Une couche d'oxyde d'am de quelques nanomètres d'épaisseur s'est développée au bord du métal à haute température. Cela a créé la métasurface optique qui absorbe parfaitement certaines longueurs d'onde de la lumière. Crédit : Giuseppe Strangi, Université Case Western Reserve
Les chercheurs ont découvert que l'ancienne technique de chauffage du métal pour créer des couleurs vives crée une surface nanostructurée qui agit comme un parfait absorbeur de lumière. Des absorbeurs de lumière parfaits - des matériaux qui absorbent plus de 99% d'une certaine couleur - peuvent être utilisés pour la détection, panneaux solaires, technologies anti-contrefaçon et furtives.
Dans la revue Matériaux optiques Express , des chercheurs de la Case Western Reserve University dans l'Ohio rapportent leurs connaissances sur la façon dont les couleurs sont générées sur des surfaces métalliques chauffées et appliquent ces résultats pour créer un film mince de nickel qui absorbe parfaitement la lumière rouge.
"Nous avons trouvé qu'un 3, La technique métallurgique vieille de 000 ans est en fait l'un des exemples les plus simples de métasurface - des surfaces artificielles avec des caractéristiques de sous-longueur d'onde qui confèrent des propriétés électromagnétiques uniques, " a déclaré Giuseppe Strangi, membre de l'équipe de recherche de la Case Western Reserve University. "Créer des changements de couleur en déposant une seule couche métallique ouvre de nouvelles possibilités esthétiques dans le travail des métaux, ainsi que des applications telles que le blindage des dispositifs contre les signaux électromagnétiques qui provoquent du bruit et des interférences."
Contrairement aux couleurs irisées des bulles d'eau et des ailes de papillon, qui changent en fonction de l'angle de vue, les fines couches d'oxyde produites par le chauffage du métal conservent leurs couleurs sous tous les angles. Cela pourrait rendre la couleur induite par la chaleur utile pour la fabrication d'hologrammes afin de protéger les produits monétaires et métalliques de la contrefaçon.
Une approche simple
Les scientifiques ont déjà démontré une parfaite absorption de la lumière en utilisant des matériaux absorbants ultrafins sur des métaux ou avec des nanostructures de haute technologie. Cependant, ces matériaux nécessitent au moins deux dépôts de matériaux par des procédés de fabrication par nanolithographie coûteux, chronophage et difficile à reproduire.
L'absorption lumineuse parfaite se produit dans la métasurface d'oxyde de nickel (NiO) car les rayons lumineux sortant de la couche d'oxyde et du substrat métallique se rejoignent de telle manière qu'ils s'annulent - un phénomène connu sous le nom d'interférence destructrice totale. Crédit : Giuseppe Strangi, Université Case Western Reserve
"Nous avons montré qu'une absorption lumineuse parfaite pouvait être réalisée en utilisant un simple film mince avec la bonne combinaison d'oxyde et de substrat métallique, " a déclaré Strangi. " Cette combinaison se produit naturellement avec certains métaux comme le nickel et le titane que nous avons utilisés dans cette étude. "
Pour démontrer leur technique, les chercheurs ont déposé 150 nanomètres de nickel ou de titane sur du silicium puis ont chauffé les films pendant 20 à 40 minutes à 400 °C pour former une couche d'oxyde. L'analyse des propriétés d'absorption des échantillons a montré que les films de nickel cuits pendant 40 minutes absorbaient environ 99,94 % de lumière rouge. Les chercheurs ont également démontré que l'absorption de la lumière pouvait être réglée sur les longueurs d'onde du visible et du proche infrarouge en modifiant la durée de chauffage, ce qui modifie l'épaisseur de la couche d'oxyde.
Comment ça fonctionne
Une absorption lumineuse parfaite se produit dans le métal chauffé parce que les rayons lumineux émergeant de la couche d'oxyde et du substrat métallique se rejoignent de telle manière qu'ils s'annulent - un phénomène connu sous le nom d'interférence destructrice totale. Toute lumière restante est absorbée à l'intérieur du substrat métallique.
"Cette méthode de création d'une absorption parfaite est très pratique de par sa simplicité et sa reproductibilité, " a déclaré Strangi. " La couche d'oxyde rend la surface résistante aux rayures et la protège d'une oxydation supplémentaire. "
Les chercheurs prévoient de réaliser des expériences supplémentaires pour déterminer si des motifs à haute résolution peuvent être formés en faisant croître des couches d'oxyde métallique. Ils travaillent également au développement de capteurs de gaz utilisant les parfaits absorbeurs de lumière.
