硫黄廃棄物を原料とした高感度赤外線偏光子

Jul 30, 2023

2022年12月27日

漢陽大学による

偏光画像は、偏光されていない入射光の横電場 (TE) を選択的に反射し、横磁場 (TM) を透過する偏光子を使用することにより、陰影や表面形態などの情報を提供できます。 しかし、現在のIR偏光子は主に、時間とコストのかかる干渉リソグラフィーによって通常製造されるナノ格子を備えた高価で脆いセラミックス（半導体やカルコゲニドなど）をベースとしています。

最近、「逆加硫」によって合成された硫黄を多く含むポリマーが、IR 領域での固有の高い透過率により、IR 光学部品の適切な候補として多くの注目を集めています。 硫黄を多く含むポリマーは、主に元素状硫黄ベースの骨格で構成されています。 注目すべきことに、石油精製プロセスからの余剰として年間700万トンの硫黄が生成されます。 したがって、この硫黄に富むポリマーは高い経済性を持って大量生産することができます。

従来の IR 材料とは異なり、硫黄を多く含むポリマーは有機溶媒に可溶化できるため、スピン コーティングと呼ばれる溶液ベースのプロセスを適用できます。 さらに、粘弾性と動的ジスルフィド共有結合により、熱ナノインプリンティング リソグラフィー (熱 NIL) に代表される熱ベースの処理によって、硫黄に富むポリマーをさまざまなナノ構造に成形することができます。

硫黄を多く含むポリマーベースの偏光子の構造としては二層構造が可能であり、以下の 3 つのステップで得ることができます。 (1) 硫黄を豊富に含むポリマー溶液をスピンコーティングする、(2) スピンコーティングされた硫黄を豊富に含むポリマーベースのフィルム上にサーマル NIL を塗布する、(3) ナノ格子上に金属を蒸着する。 硫黄を多く含むポリマーベースの偏光子は、自己整合二層金属格子 (上部と下部の Au 層) とスペーサー層 (光キャビティとして適用) で構成されています。

高感度偏光子の場合、広帯域 IR 領域で高い TM 透過率と消光比 (ER; TM 透過率と TE 透過率の比) の両方が必要です。 熱NIL中、粘弾性硫黄リッチポリマーを使用してナノスケールマスターモールドの高品質のナノ格子を複製することは、高い表面積対体積比から生じる高い表面張力のため困難です。マスターモールド。

低品質のサーマル NIL は、丸くて波状の格子を持つ忠実度の低いナノ格子を引き起こし、金属蒸着後に上部金属層と下部金属層の接続を引き起こし、偏光子の感度を低下させます。 さらに、光キャビティとして適用されるスペーサーの厚さを調整せずに、最大のTM透過率を示すフェブリ・ペロー共振条件を満たすことによって偏光子の感度を最大化することは困難です。 入射光が二層構造の偏光子を通過すると、光キャビティの役割を果たすスペーサー層で多重反射が発生します。 フェブリ・ペロー共鳴は、反射光が同相で強めの干渉を起こす状態です。

漢陽大学有機ナノ工学部准教授の Jeong Jae (JJ) Wie 氏率いる研究者らは、最終的に高感度の硫黄を豊富に含むポリマーベースの偏光子を完成させました。 このため、研究チームは熱NIL条件を微調整して設計したナノ回折格子を高品質で再現し、すべてのMWIR領域でTM透過率を最大化するスペーサーの厚さを調査しました。

Advanced Materials で発表された研究チームは、光学性能と製造難易度を考慮した数値シミュレーションによって設計された、ピッチ 400 nm の硫黄を多く含むポリマーベースの IR 偏光子の実証に成功しました。 ステファンのスクイーズフロー方程式で説明される時間と圧力の関係を考慮し、温度、圧力、時間を含む熱NIL条件を体系的に調査することにより、1 × 1 cm2の領域にわたって高忠実度の1Dナノ格子が得られました。ガラス転移や熱劣化など、硫黄を多く含むポリマーの挙動。

この分野で前例のないマイルストーンである、硫黄に富むポリマー スペーサーの厚さは、硫黄に富むポリマー溶液の濃度に応じて 40 nm から 5,100 nm までの広い範囲で調整可能でした。 その結果、硫黄を多く含むポリマーベースの偏光子の光学性能は、スペーサー厚さ 90 の場合、4 μm での TM 透過率 0.65、0.59、および 0.43、ER の 3.12 × 103、5.19 × 103、および 5.81 × 103 に相当しました。それぞれ338nm、572nm。 特に、MWIR での 5.81 × 103 の ER は、報告されている硫黄を豊富に含むポリマーベースの偏光子の中で世界記録です (以前に報告されているポリマー硫黄ベースの偏光子より 19.1 倍高い)。

詳しくは： Woongbi Cho et al、高感度かつコスト効率の高いポリマー硫黄ベースの中波長赤外線直線偏光子、調整されたファブリ・ペロー共鳴を備えた先端材料 (2022)。 DOI: 10.1002/adma.202209377

雑誌情報:先端材料

漢陽大学提供