Polariseur infrarouge très sensible à base de déchets de soufre créés

Jul 30, 2023

27 décembre 2022

par l'Université de Hanyang

Les images polarimétriques peuvent fournir des informations telles que l'ombrage et les morphologies de surface en utilisant des polariseurs qui reflètent sélectivement le champ électrique transversal (TE) et transmettent le champ magnétique transversal (TM) de la lumière incidente non polarisée. Cependant, les polariseurs IR actuels sont principalement basés sur des céramiques coûteuses et fragiles (telles que les semi-conducteurs et les chalcogénures) avec des nano-réseaux généralement fabriqués par lithographie interférentielle longue et coûteuse.

Récemment, un polymère riche en soufre, synthétisé par "vulcanisation inverse", a reçu beaucoup d'attention en tant que candidat approprié pour l'optique IR, en raison de sa transmittance élevée intrinsèque dans la région IR. Le polymère riche en soufre est principalement composé d'un squelette à base de soufre élémentaire. Notamment, 7 millions de tonnes de soufre sont créées chaque année en tant qu'excédent des processus de raffinage du pétrole. Par conséquent, ce polymère riche en soufre peut être produit en masse avec une faisabilité économique élevée.

Contrairement aux matériaux IR conventionnels, le polymère riche en soufre peut être solubilisé dans un solvant organique, ce qui signifie qu'un processus à base de solution, représenté par un revêtement par centrifugation, peut être appliqué. De plus, la viscoélasticité et les liaisons disulfure covalentes dynamiques permettent au polymère riche en soufre d'être moulé en diverses nanostructures par un traitement thermique représenté par la lithographie par nanoimpression thermique (NIL thermique).

En tant que structure de polariseur à base de polymère riche en soufre, la structure bicouche est réalisable et peut être obtenue par les 3 étapes suivantes ; (1) revêtement par centrifugation d'une solution de polymère riche en soufre, (2) NIL thermique sur un film à base de polymère riche en soufre revêtu par centrifugation et (3) dépôt de métal sur les nano-réseaux. Le polariseur à base de polymère riche en soufre est composé d'un réseau métallique bicouche auto-aligné (couches Au supérieure et inférieure) et d'une couche d'espacement (appliquée comme cavité optique).

Pour les polariseurs très sensibles, il est nécessaire d'avoir à la fois un rapport de transmission et d'extinction TM élevé (ER; le rapport de transmission TM sur transmission TE) pour une région IR à large bande. Pendant le NIL thermique, il est difficile de reproduire des nano-réseaux de haute qualité du moule maître à l'échelle nanométrique en utilisant le polymère viscoélastique riche en soufre, en raison de la tension superficielle élevée provenant d'un rapport surface/volume élevé du moule maître.

Le NIL thermique de faible qualité provoque des nano-réseaux de faible fidélité qui ont des réseaux ronds et ondulés, induisant la connexion des couches métalliques supérieure et inférieure après le dépôt du métal et détériorant la sensibilité du polariseur. De plus, il est difficile de maximiser la sensibilité du polariseur en satisfaisant les conditions d'indication de résonance de Febry-Pérot pour une transmission TM maximale, sans adapter l'épaisseur de l'entretoise appliquée en tant que cavité optique. Lorsque la lumière incidente traverse le polariseur structuré bicouche, de multiples réflexions se produisent dans la couche d'espacement dans le rôle de la cavité optique. La résonance Febry-Pérot est une condition dans laquelle les lumières réfléchies sont en phase et produisent des interférences constructives.

Dirigés par Jeong Jae (JJ) Wie, professeur agrégé au Département d'ingénierie organique et nanométrique de l'Université de Hanyang, les chercheurs ont finalement obtenu un polariseur à base de polymère très sensible et riche en soufre. Pour cela, l'équipe de recherche a affiné les conditions thermiques NIL pour reproduire les nano-réseaux conçus avec une haute qualité et a étudié l'épaisseur de l'espaceur pour maximiser la transmission TM pour toutes les régions MWIR.

Publié dans Advanced Materials, l'équipe de recherche a démontré avec succès un polariseur IR à base de polymère riche en soufre avec un pas de 400 nm conçu par des simulations numériques en tenant compte des performances optiques et des difficultés de fabrication. Le nano-réseau 1D haute fidélité a été obtenu sur une surface de 1 × 1 cm2 par une étude systématique des conditions thermiques NIL, y compris la température, la pression et le temps, en tenant compte de la relation entre le temps et la pression expliquée par l'équation de flux de pression de Stefan et le comportement thermique des polymères riches en soufre tels que la transition vitreuse et la dégradation thermique.

Jalon sans précédent dans le domaine, l'épaisseur de l'espaceur polymère riche en soufre était réglable sur une large plage de 40 nm à 5 100 nm, en fonction de la concentration de la solution de polymère riche en soufre. En conséquence, les performances optiques du polariseur à base de polymère riche en soufre correspondaient à des transmissions TM de 0,65, 0,59 et 0,43 et à des RE de 3,12 × 103, 5,19 × 103 et 5,81 × 103 à 4 μm pour des épaisseurs d'espacement de 90, 338 et 572 nm, respectivement. En particulier, l'ER de 5,81 × 103 à MWIR est un record mondial parmi les polariseurs à base de polymère riche en soufre rapportés (19,1 fois plus élevé que celui des polariseurs à base de soufre polymère précédemment rapportés).

Plus d'information: Woongbi Cho et al, Polariseurs linéaires infrarouges à longueur d'onde moyenne à base de soufre polymère hautement sensibles et rentables avec résonance Fabry-Pérot sur mesure, Matériaux avancés (2022). DOI : 10.1002/adma.202209377

Informations sur la revue :Matériaux avancés

Fourni par l'Université de Hanyang