Creato polarizzatore a infrarossi altamente sensibile basato su rifiuti di zolfo

Jul 30, 2023

27 dicembre 2022

dall'Università di Hanyang

Le immagini polarimetriche possono fornire informazioni quali ombreggiature e morfologie superficiali utilizzando polarizzatori che riflettono selettivamente il campo elettrico trasversale (TE) e trasmettono il campo magnetico trasversale (TM) della luce incidente non polarizzata. Tuttavia, gli attuali polarizzatori IR si basano principalmente su ceramiche costose e fragili (come semiconduttori e calcogenuri) con nanoreticoli solitamente fabbricati mediante litografia interferenziale dispendiosa in termini di tempo e costi.

Recentemente, un polimero ricco di zolfo, sintetizzato mediante "vulcanizzazione inversa", ha ricevuto molta attenzione come candidato adatto per l'ottica IR, a causa della sua elevata trasmittanza intrinseca nella regione IR. Il polimero ricco di zolfo è composto principalmente da uno scheletro a base di zolfo elementare. In particolare, ci sono 7 milioni di tonnellate di zolfo create ogni anno come surplus dai processi di raffinazione del petrolio. Pertanto, questo polimero ricco di zolfo può essere prodotto in serie con un’elevata fattibilità economica.

A differenza dei materiali IR convenzionali, il polimero ricco di zolfo può essere solubilizzato in un solvente organico, il che significa che è possibile applicare un processo basato su soluzione, rappresentato come rivestimento a rotazione. Inoltre, la viscoelasticità e i legami disolfuro covalenti dinamici consentono al polimero ricco di zolfo di essere modellato in diverse nanostrutture mediante un trattamento termico rappresentato come litografia termica con nanoimprinting (NIL termico).

Come struttura di polarizzatore a base di polimero ricco di zolfo, la struttura a doppio strato è fattibile e può essere ottenuta mediante le seguenti 3 fasi; (1) rivestimento mediante centrifugazione di una soluzione polimerica ricca di zolfo, (2) NIL termico su una pellicola a base di polimero ricco di zolfo rivestita mediante centrifugazione e (3) deposizione di metalli sui nanoreticoli. Il polarizzatore a base di polimero ricco di zolfo è costituito da un reticolo metallico a doppio strato autoallineato (strati Au superiore e inferiore) e uno strato distanziatore (applicato come cavità ottica).

Per i polarizzatori altamente sensibili, è necessario avere sia un elevato rapporto di trasmissione TM che di estinzione (ER; il rapporto tra trasmissione TM e trasmissione TE) per una regione IR a banda larga. Durante il NIL termico, è difficile replicare nano-reticoli di alta qualità dello stampo master su scala nanometrica utilizzando il polimero viscoelastico ricco di zolfo, a causa dell'elevata tensione superficiale originata da un elevato rapporto area superficiale/volume di lo stampo principale.

Il NIL termico di bassa qualità provoca nano-reticoli a bassa fedeltà con reticoli rotondi e ondulati, inducendo la connessione degli strati metallici superiori e inferiori dopo la deposizione del metallo e deteriorando la sensibilità del polarizzatore. Inoltre, è difficile massimizzare la sensibilità del polarizzatore soddisfacendo le condizioni che indicano la risonanza Febry-Pérot per la massima trasmissione TM, senza adattare lo spessore del distanziatore applicato come cavità ottica. Quando la luce incidente passa attraverso il polarizzatore strutturato a doppio strato, si verificano riflessioni multiple nello strato distanziatore nel ruolo di cavità ottica. La risonanza Febry-Pérot è una condizione in cui le luci riflesse sono in fase e creano interferenze costruttive.

Guidati da Jeong Jae (JJ) Wie, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria organica e nanotecnologia dell'Università di Hanyang, i ricercatori hanno finalmente ottenuto un polarizzatore altamente sensibile a base di polimeri ricchi di zolfo. Per questo, il gruppo di ricerca ha messo a punto le condizioni termiche NIL per replicare i nano-reticoli progettati con alta qualità e ha studiato lo spessore del distanziatore per massimizzare la trasmissione TM per tutte le regioni MWIR.

Pubblicato su Advanced Materials, il gruppo di ricerca ha dimostrato con successo un polarizzatore IR a base di polimeri ricchi di zolfo con un passo di 400 nm progettato mediante simulazioni numeriche tenendo conto delle prestazioni ottiche e della difficoltà di fabbricazione. Il nano-reticolo 1D ad alta fedeltà è stato ottenuto su un'area di 1 × 1 cm2 mediante un'indagine sistematica delle condizioni termiche NIL tra cui temperatura, pressione e tempo, tenendo conto della relazione tra tempo e pressione spiegata dall'equazione del flusso di compressione di Stefan e dall'equazione termica comportamento dei polimeri ricchi di zolfo come transizione vetrosa e degradazione termica.