Вчені з'ясували, що нітрид бору поглинає 99.99% інфрачервоного випромінювання

Ефективне поглинання енергії електромагнітного випромінювання необхідно для широкого кола практичних задач. Матеріали, що поглинають випромінювання, використовуються при побудові сонячних батарей, при створенні різних чутливих сенсорів, а також для вирішення завдань маскування - наприклад, для того, щоб приховати літальні апарати від радарів.

У своїй роботі дослідники з Росії та США показали, що виникнення деструктивної інтерференції (механізм, який традиційно використовується в поглинаючих системах) не є обов'язковою вимогою для ідеального поглинання. Як конкретної поглинає системи вчені використовували анізотропний кристал - гексагональний нітрид бору , і показали, що в інфрачервоному діапазоні запропонований матеріал поглинає 99.99% всього випромінювання.

Класичний приклад електромагнітного поглинача, знайомий багатьом - звичайна чорна фарба. Вона виглядає чорною саме тому, що значна частина падаючого світла поглинається в шарі фарби і не доходить до спостерігача. Однак, чорна фарба є порівняно поганим поглиначем - деяка частка енергії падаючого світла (порядку декількох відсотків) все ж відбивається в навколишній простір.

Приклад типового поглинача оптичного випромінювання - чорна фарба. зображення: franklinpainting.com

В сучасних структурах, щоб поглинути падаюче випромінювання повністю, найчастіше задіюють явище інтерференції. Шар поглинає речовини розміщується на відбивну підкладку або поєднується зі спеціально підібраним антіотражающім покриттям. При цьому, згідно із законами класичної електродинаміки, виникає послідовність відбитих від структури хвиль різної амплітуди і фази - структура породжує серію відбитих хвиль, що накладаються один на одного. Якщо параметри покриття підібрані вірно, відбиті хвилі компенсують один одного - відбите випромінювання пропадає зовсім і поглинання стає ідеальним (perfect absorption). Така інтерференція називається деструктивною. Поглинання в таких системах дуже чутливо до геометрії структури. При найменшому порушенні товщини або показників заломлення шарів явище пропадає і з'являється відбите випромінювання.

Пристрій традиційних електромагнітних поглиначів. Зліва - поглинає середовище на відбиває підкладці. Праворуч - поглинає среда, поверх якої розташований шар антіотражающім покриття. В обох випадках інтерференція світла призводить до повного поглинання енергії всередині штучної структури.

Зображення надано авторами дослідження

У своїй роботі автори продемонстрували, що можна створити ідеально поглинає матеріал, що працює за іншим принципом, без інтерференції, на основі анізотропного кристала. Такий кристал належить до групи унікальних ван дер Ваальсових кристалів, які складаються з атомарних шарів, утримуваними силами Ван-дер-Ваальса з боку сусідніх шарів. Сили Ван-дер-Ваальса виникають між атомами і молекулами, які електрично нейтральні, але володіють дипольним моментом - заряди в них розподілені нерівномірно. Внаслідок такого пристрою кристалічної решітки діелектрична проникність кристала в середньому інфрачервоному діапазоні (довжина хвилі ~ 10 мкм) сильно розрізняється в напрямку вздовж і впоперек атомарних шарів - стає анизотропной і описується не одним числом, а тензором - матрицею чисел (кожне число відповідає за свій напрямок) . У свою чергу, саме тензор діелектричної проникності визначає, як відбувається відображення світла від поверхні якої-небудь речовини.

Зліва: схематичний малюнок кристалічної решітки гексагонального нітриду бору. Зображення: Wikimedia / Benjah-bmm27

Справа: мікроскопічне зображення (SEM) зразка, дослідженого авторами статті.

Завдяки незвичайним властивостям кристалічної решітки гексагональний нітрид бору вже знайшов ряд застосувань в оптиці і наноелектроніки. В даному випадку, сильна анізотропія діелектричної проникності грає нам на руку і допомагає поглинати електромагнітні хвилі. Падіння інфрачервоне випромінювання на певній довжині хвилі без відображення проходить в кристал і повністю поглинається усередині. При цьому немає необхідності в будь-яких просвітлюють шарах або підкладці для виникнення деструктивної інтерференції - відбитого випромінювання просто не виникає, на відміну від ізотропного (тобто однаковою у всіх напрямках) поглинає середовища.

"Можливість повністю поглинати електромагнітне випромінювання - одна з ключових завдань електродинаміки. Прийнято вважати, що для цього потрібно явище деструктивної інтерференції і, як наслідок, використання антіотражающім покриттів, підкладок або інших структур. Наші спостереження говорять про те, що вимога інтерференції необов'язково, і повне поглинання може бути досягнуто в більш простих системах, "- каже Денис Баранов, перший автор статті.

Зліва: схематичне зображення поглинає системи, продемонстрованої авторами роботи. Справа: спектр відбиття від оптично товстого шару гексагонального нітриду бору для різних кутів падіння. Точки A і B показують положення умов повного поглинання, передбачених теоретично.

Зображення надано авторами дослідження.

Для експериментального спостереження передбаченого явища дослідники виростили оптично товстий зразок гексагонального нітриду бору і виміряли спектр відображення в середньому інфрачервоному діапазоні. При значеннях довжини хвилі і кута падіння, передбачених теорією, автори спостерігали сильний провал у відбитому сигналі - від системи відбивалося менше 10 -4 падаючої енергії. Іншими словами, більш ніж 99,99% енергії падаючої хвилі поглиналося в анізотропному кристалі.

На даний момент пропонований дослідниками підхід дозволяє досягти повного поглинання тільки для фіксованого значення довжини хвилі і кута падіння, які визначаються електронними властивостями матеріалу, в той час як для практичних додатків більш цікава можливість поглинати енергію в широкому діапазоні довжин хвиль і кутів. Однак, використання альтернативних сильно анізотропних матеріалів, наприклад, двуосного поглинаючих середовищ, ймовірно, допоможе в майбутньому обійти ці обмеження і зробити даний підхід більш гнучким.

Проте, проведений експеримент являє інтерес з фундаментальної точки зору. Він показує можливість повного поглинання випромінювання без залучення деструктивної інтерференції. Такий ефект дає новий спосіб контролю за електромагнітним поглинанням. У перспективі такі матеріали зможуть надати більше гнучкості при розробці поглинаючих пристроїв і сенсорів, що працюють в інфрачервоному діапазоні.

Перш за все, поглинання електромагнітної енергії у видимому діапазоні спектра важливо для фотовольтаїки - перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну і побудови сонячних батарей. Поглинаючі матеріали в мікрохвильовому діапазоні частот вирішують не менш важливе завдання - вони дозволяють знизити радіолокаційну видимість літальних апаратів. Крім того, ефективне поглинання електромагнітних хвиль важливо для застосувань в області сенсорів, нанохімії, фотодинамічної терапії ..