Nanostructures triangulaires plissées SiO₂/TiO₂ ultra-extensibles pour furtivité infrarouge avancée

Résumé

Nous démontrons une nouvelle structure de furtivité infrarouge consistant en un film SiO₂/TiO₂, fabriquée sous forme de structures plissées triangulaires hautement extensibles. Les structures plissées triangulaires ont d'abord été transférées sur un substrat flexible depuis la surface d'un substrat Si, fabriqué par technologie MEMS. Ensuite, le film réfléchissant infrarouge a été fabriqué sous forme de structures plissées triangulaires en déposant les matériaux (métal noble Ag ou Au, ou oxyde multicouche SiO₂/TiO₂) sur la surface du substrat flexible. En raison de l'effet de réflexion réduit de la surface courbe, la réflectivité infrarouge de ces structures a été réduite à 5 %. Et, comparé à la surface plane, les rapports réflexion/diffusion se sont améliorés d'environ un ordre de grandeur. Ces structures peuvent s'adapter à l'environnement en changeant la réflectivité des structures plissées triangulaires sous étirement. Finalement, une structure de furtivité infrarouge modifiée Au a été fabriquée sous forme de structures en réseau, qui disparaissent puis réapparaissent par étirement des structures plissées triangulaires à température ambiante. Elle présente des rapports réflexion/diffusion élevés, une répétabilité stable, un faible coût et une fabrication aisée. Elle pourrait ouvrir des opportunités pour le camouflage infrarouge dans les applications de sécurité militaire et de surveillance.

Contexte

La technologie de furtivité infrarouge a été largement utilisée dans le domaine des composants spatiaux [1], plates-formes de camouflage [2], vêtements de protection [3], emballages de conteneurs [4], etc. [5,6,7]. Particulièrement pour la sécurité militaire et la surveillance militaire, qui peuvent protéger les aéronefs de la détection.

Ces dernières années, de nombreux matériaux, qui réfléchissent statiquement le rayonnement dans la région infrarouge du spectre électromagnétique, ont été étudiés [8,9,10]. Wei et al. [11] ont proposé une méthode de réflexion infrarouge basée sur les métamatériaux en modulant le dopage des porteurs photogénérés. Kocabas et al. [12] démontrent des structures de surfaces actives qui peuvent être contrôlées pour ajuster la réflexion, la transmission et l'absorption des micro-ondes. Cependant, ce type de matériau nouveau était limité par une technologie complexe, une production ultra-faible et un coût élevé.

Pour optimiser l'adaptabilité des structures de furtivité infrarouge, de nombreux matériaux et structures infrarouges adaptatifs différents ont été conçus et étudiés [13,14,15]. Valentine et al. [16] ont démontré une méthode de réflexion infrarouge basée sur les métamatériaux en contrôlant spatio-temporellement l'émissivité du métamatériau modulé par la lumière ultraviolette. Cependant, cette structure a été actionnée par la lumière ultraviolette, des températures élevées et de grands gradients de température. Gorodetsky et al. [17] ont développé des structures réfléchissantes infrarouges adaptatives basées sur la structure de plis avec les caractéristiques de basse température de fonctionnement, gamme spectrale ajustable, réponse rapide et fonctionnement autonome. Cependant, cette structure doit être actionnée par une haute tension d'environ 3 kV, ce qui est difficile à réaliser dans le domaine courant, surtout pour les aéronefs.

Dans cette étude, une nouvelle structure plissée triangulaire extensible a été conçue et fabriquée pour être la structure de furtivité infrarouge adaptative. La réflectivité infrarouge de cette structure a été réduite à 5 %, et une fabrication simple utilisant les matériaux réfléchissants infrarouges a permis la disparition, puis l'affichage avec la déformation des structures plissées triangulaires sous une action mécanique simple à température ambiante.

Méthodes

Les membranes de polydiméthylsiloxane (PDMS) (10:1) (Sylgard 184, Dow Corning) ont été préparées par centrifugation sur wafers de silicium avec une épaisseur de 500 μm en contrôlant la vitesse de rotation, et polymérisées immédiatement après centrifugation à moins de 80 °C pendant 2 h [18].

Le film d'argent et les couches alternées de dioxyde de titane (TiO₂) et de dioxyde de silicium (SiO₂) ont été déposés sur les substrats PDMS par évaporation par faisceau d'électrons selon les techniques standards de microfabrication.

La réflectance totale, la réflectance diffuse et la transmittance totale de nos structures ont été caractérisées avec un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier Frontier (Perkin Elmer). Les mesures ont été effectuées à un angle d'illumination de 12° sur une gamme de longueurs d'onde de 2 à 14 μm et référencées à un standard d'or diffus (Pike Technologies).

La topographie de la structure plissée triangulaire a été caractérisée par microscope laser à balayage (Modèle : LEXT OLS4100 ; Co. : Olympus) et microscope à force atomique (AFM) (Modèle : Multimode8 ; Co. : Bruker). Les images et vidéos infrarouges ont été obtenues avec une caméra imageur thermique (FOTRIC 226S) pour la température et une gamme spectrale effective de 8 μm à 14 μm.

Résultats et discussion

Mécanisme de furtivité infrarouge

Les schémas des structures réfléchissantes infrarouges sont représentés dans la Fig. 1. Nous avons étudié les propriétés de réflectance infrarouge basées sur la structure triangulaire. Le modèle de furtivité infrarouge a été simulé par le logiciel Zemax. Lorsque la lumière était incidente sur une structure plane, la majeure partie de la lumière incidente serait réfléchie selon une direction déterminée suivant la loi de la réflexion, comme montré dans la Fig. 1a. Lorsque la lumière était incidente sur les structures triangulaires, la majeure partie de la lumière tombait à l'intérieur des structures de piège triangulaires et seule une petite lumière pouvait se refléchir hors des structures triangulaires, comme représenté dans la Fig. 1b. C'est-à-dire, lorsque la lumière infrarouge était incidente dans la structure triangulaire, la majeure partie de la lumière infrarouge ne serait pas détectée en utilisant le mécanisme de réflexion de la lumière. Cette structure triangulaire peut être invisible pour la technique de détection infrarouge.

Fabrication de la structure plissée triangulaire

Comme montré dans la Fig. 2, les structures plissées triangulaires ont été fabriquées en utilisant la technologie MEMS, qui a été rapportée dans notre travail précédent [19]. Premièrement, un photorésistif positif a été centrifugé sur le wafer de silice à 3000 rad/min et cuit à 105 °C pendant 90 s. Deuxièmement, le wafer a été exposé à une dose de 135 mJ/cm² avec un aligneur de masque et cuit à 115 °C pendant 120 s pour former des réticulations fortes. Après que le wafer eut refroidi progressivement, la structure a été immergée dans un révélateur positif (40 s). Troisièmement, gravure du SiO₂ en utilisant une gravure d'oxide tamponnée et gravure du Si en utilisant 15 % en poids TMAH + 17 % en volume alcool isopropylique (22 min). Quatrièmement, une couche de SiO₂ a été retirée par l'acide fluorhydrique. Ensuite, une structure de type triangulaire a été obtenue, comme montré dans la Fig. 2a [6]. Cinquièmement, un moule PDMS a été préparé en mélangeant l'élastomère PDMS liquide et l'agent de polymérisation à un ratio 10:1 en volume, qui a été versé sur le moule Si et polymérisé thermiquement à 80 °C pendant 1,5 h pour obtenir la structure triangulaire sur la surface du substrat PDMS pour former le moule PDMS. Ensuite, une couche de SiO_x et des groupes hydrophiles (ex. -OH) ont été formés sur la surface du substrat PDMS sous traitement plasma d'oxygène à 150 W pendant 15 s. L'échantillon a ensuite été immergé dans une solution SDS pendant 15 s pour introduire des groupes -SO₃⁻ à la surface de la structure PDMS plissée triangulaire. Ce processus peut introduire une réaction de condensation de fonctionnalités hydrophiles entre le PDMS et le métal noble (Ag, Au) et les matériaux d'oxyde (SiO₂, TiO₂), qui ont été rapportés en détail dans nos travaux précédents [20,21,22]. Finalement, la structure plissée triangulaire en métal ou oxyde a été obtenue en déposant le métal ou l'oxyde sur la surface du moule PDMS en utilisant la technologie d'évaporation par faisceau d'électrons, qui a été rapportée en détail dans nos travaux précédents [20,21,22].

Comme montré dans la Fig. 2b-d, la périodicité des structures plissées triangulaires était uniforme, et la périodicité était d'environ (10 ± 0,1) μm sur toute la surface de l'échantillon testée par microscopie à force atomique. Et la taille de l'échantillon était d'environ 4 mm × 4 mm. La périodicité désirée a été atteinte en ajustant la taille des structures de masque et les paramètres de gravure, ce qui peut être calculé comme introduit dans nos études précédentes [19].

Tests de furtivité infrarouge

Dans notre travail, les structures plissées triangulaires en métal ont été d'abord fabriquées pour étudier l'effet de réflexion infrarouge. En raison de la haute ductilité, de l'excellente flexibilité et de la dureté et du coût relativement faibles, les matériaux Ag métalliques ont été sélectionnés pour fabriquer le film réfléchissant infrarouge. Les structures plissées triangulaires Ag ont été fabriquées suivant le processus de la Fig. 2a.

Avant l'actionnement mécanique, lorsqu'un faisceau de lumière est incident sur la pointe de la structure réfléchissante infrarouge triangulaire (Fig. 3a), la majeure partie du rayon infrarouge (ligne rouge) a été diffusée par la pointe (ligne bleue) et seule une petite lumière peut être réfléchie (ligne verte) dans le détecteur. Alors qu'après l'actionnement mécanique, la surface de la structure triangulaire peut être progressivement étirée pour devenir plane comme montré dans la Fig. 3b. Dans ce cas, la majeure partie de la lumière incidente se refléchirait dans le détecteur.

Les spectres infrarouges correspondants ont prouvé les résultats ci-dessus dans notre expérience comme montré dans la Fig. 3c. En tant que structures plissées triangulaires non actionnées, elles présentaient une réflectance totale moyenne élevée de 46 ± 2 %, une réflectance moyenne faible de < 13 %, et une lumière diffuse moyenne modérée de 33 ± 2 %. Ainsi, la réflectance totale présentait une réflectance moyenne faible de 13 ± 2 % et une composante diffuse moyenne dominante de 33 ± 2 %, dans un ratio de ~ 0,4. Après étirement mécanique des structures plissées triangulaires (comme montré dans la Fig. 3d), les spectres infrarouges correspondants présentaient une réflectance totale moyenne augmentée de 97 ± 1 %, une réflectance moyenne élevée de 89 ± 1 %, et une lumière diffuse totale moyenne faible de 8 ± 1 %.

D'après les résultats expérimentaux, la réflectivité est passée de 13 à 89 % avec l'étirement des structures plissées triangulaires Ag. Aussi, la lumière diffuse a été réduite de 33 à 8 %. La raison était que les structures plissées triangulaires Ag ont été étirées pour devenir un film plan Ag. La lumière incidente peut se refléter selon un certain angle du film plan suivant la loi de la réflexion. En raison de la haute réflectivité du film plan, la réflectance totale peut atteindre 100 % en théorie et la lumière diffuse n'était qu'une petite quantité. Considérant la surface rugueuse du film Ag, la réflexion serait réduite (89 %) et la lumière diffusée serait augmentée (8 %).

Pendant ce temps, comparé à la structure plissée, la lumière diffusée a été réduite de 33 à 8 % du film plan. La raison était que la rugosité des structures plissées triangulaires Ag était d'environ ~ 1 μm dépendant de la hauteur des structures plissées. Mais pour le film plan Ag, la rugosité était d'environ ~ 20 nm ou moins, qui était la rugosité du film Ag. Donc, la lumière diffuse peut être encore réduite en optimisant le paramètre technologique d'évaporation par faisceau d'électrons.

Dans ce cas, la réflectance totale présentait une réflectance moyenne beaucoup plus grande de 89 ± 1 % et une composante de lumière diffuse moyenne plus petite de 8 ± 1 %, dans un ratio de ~ 11. Donc, les rapports réflexion/diffusion ont été approximativement augmentés d'un ordre de grandeur basé sur les structures plissées triangulaires.

En général, la réflectance totale des structures plissées triangulaires à longueur d'onde large augmentait en fonction de la contrainte (Fig. 3e). La réflectivité augmentait avec la contrainte, mais la diffusion diminuait, en étirant le film plissé triangulaire Ag pour devenir plat. Les propriétés de réflexion infrarouge étaient pleinement réversibles sur l'actionnement mécanique répété contribuant à la propriété hautement extensible des structures plissées. Et seule une dégradation mineure de performance a été observée après 500 cycles (Fig. 3f). Ainsi, l'actionnement mécanique de nos structures plissées triangulaires a induit un changement, qui peut être réversible et dynamiquement modulé de la réflectance à large bande dans la région infrarouge d'onde courte à longue.

En général, comparé à la technologie infrarouge à large bande, la bande infrarouge étroite a un rapport signal/bruit plus élevé et une traçabilité plus facile pour les applications de détection, discernement et suivi de cibles infrarouges.

Ainsi, pour améliorer la précision de la détection, du discernement et du suivi de cibles infrarouges, l'effet de réflexion infrarouge à bande étroite des structures plissées triangulaires a été étudié comme montré dans la Fig. 4.

Pour obtenir un pic de réflectance infrarouge à bande étroite, des couches alternées TiO₂/SiO₂/TiO₂/SiO₂/TiO₂ avec des épaisseurs de λ_pic/(4 × n_TiO2) et λ_pic/(4 × n_SiO2) ont été conçues. Les structures ont été fabriquées selon les protocoles lithographiques standards comme montré dans la Fig. 2a. Les empilements de Bragg TiO₂/SiO₂ avec une intensité de réflectance de pointe à 5 μm ont été produits avec l'épaisseur de SiO₂ de 0,933 μm et l'épaisseur de TiO₂ de 0,543 μm par un système Angstrom Engineering EvoVac. Les structures de réflexion infrarouge à bande étroite consistent en deux couches SiO₂ et trois couches TiO₂. Et la taille des structures de réflexion infrarouge à bande étroite basées sur les structures plissées triangulaires était d'environ 4 mm × 4 mm.

Dans nos travaux, avant l'actionnement mécanique, les structures de réflexion infrarouge à bande étroite basées sur les structures plissées triangulaires, les spectres infrarouges présentaient des intensités de réflectance totale de 18 ± 2 % à une longueur d'onde de 5 μm, avec une réflectance moyenne faible de 5 ± 2 % et une composante diffuse moyenne de 13 ± 2 %, dans un ratio de ~ 0,38, comme montré dans la Fig. 4c.

Après actionnement mécanique, les intensités de réflectance totale ont augmenté jusqu'à 63 ± 4 % à une longueur d'onde de 5 μm, avec une composante de réflexion beaucoup plus grande de 50 ± 3 % et une composante diffuse presque inchangée de 13 ± 2 % dans un ratio de ~ 3,8 (comme montré dans la Fig. 4d). Ce résultat était cohérent avec le film réfléchissant modifié Ag basé sur les structures plissées triangulaires. La réflectivité a augmenté de 5 à 63 % causée par les raisons que les structures plissées multicouches TiO₂/SiO₂ triangulaires ont été étirées pour devenir un film plan. La lumière infrarouge incidente peut se refléter selon un certain angle du film plan pour améliorer la réflectivité.

De même, pour la structure de réflectivité infrarouge à bande étroite basée sur les structures plissées triangulaires, les rapports réflexion/diffusion ont été réduits d'environ un ordre de grandeur à une longueur d'onde de 5 μm. Aussi, les mêmes résultats peuvent être prouvés aux longueurs d'onde de 3, 4 et 5 μm (en raison du changement d'épaisseur du TiO₂ et SiO₂), comme montré dans la Fig. 4e.

En général, la réflectance totale des structures plissées triangulaires à longueur d'onde large augmentait en fonction de la contrainte (Fig. 4f). La réflexion augmentait avec la contrainte, mais les composantes diffuses restaient relativement inchangées. La raison était que la rugosité des structures plissées triangulaires et du film plan était à peu près de la même taille. La hauteur des structures plissées était réduite de ~ 1 μm à ~ 200 nm avec le recouvrement du film TiO₂ ou SiO₂. Parce que le coin entre deux structures triangulaires recouvrirait plus de film que les autres zones, ce qui réduirait la hauteur des structures plissées du film multicouche TiO₂/SiO₂. Plus l'épaisseur du film augmentait, plus la hauteur diminuait. Alors que pour le film plan TiO₂/SiO₂, la rugosité était d'environ ~ 50 nm causée par la qualité inférieure pour l'oxyde que le métal en utilisant la technologie MEMS.

Démonstration d'exemples d'applications

En tant que preuve de concept pour la furtivité infrarouge des structures plissées triangulaires, nous avons évalué nos structures de furtivité infrarouge pour se dissimuler sous visualisation infrarouge.

Nous avons conçu et fabriqué un film réfléchissant infrarouge modifié Au avec des structures en réseau trois-par-trois. La taille de l'échantillon était de 5 cm × 5 cm et imagée par une caméra infrarouge thermique, comme montré dans la Fig. 5a. Les structures en réseau trois-par-trois servaient d'étiquette composée de matériaux composites PDMS-nanodiamant, qui ont des matériaux à haute transmission infrarouge, comme montré dans la Fig. 5b.

Avant l'actionnement mécanique, les structures plissées triangulaires modifiées Au étaient clairement observées par la microscopie confocale à balayage laser comme montré dans l'encart de la Fig. 5c (gauche). De la vue en coupe de l'encart, la structure triangulaire peut être vue clairement. Et l'image infrarouge correspondante peut être montrée dans la Fig. 5d (gauche). Sans actionnement, il n'y avait qu'un contour global des structures de film modifiées Au. Alors que la contrainte augmentait de 0 à 60 %, la structure plissée triangulaire avait été étirée pour devenir plate et la hauteur diminuait à zéro, ce qui était observé par la microscopie confocale à balayage laser. Et l'image infrarouge correspondante a montré que les structures de film modifiées Au deviennent progressivement rouges causé par l'augmentation de la réflectivité infrarouge. Et la structure en réseau trois-par-trois émergeait pour devenir un trou. Donc, les résultats prouvent l'effet de furtivité infrarouge des structures plissées triangulaires avec l'avantage de la répétabilité, de la stabilité et de la réversibilité complète.

Conclusions

Nous avons examiné les propriétés de furtivité infrarouge du métal noble (Au et Ag) et de l'oxyde métallique (TiO₂/SiO₂)-modifié des structures plissées triangulaires extensibles.

Premièrement, la réflectivité infrarouge de ces structures a été ajustée de 50 à 5 % et les rapports réflexion/diffusion modulés dynamiquement d'environ un ordre de grandeur. Deuxièmement, nos structures présentées comportent des capacités pour les technologies de camouflage infrarouge adaptatif aux longueurs d'onde large bande et bande étroite. Troisièmement, les structures ont été intégrées de manière simple et présentaient une stabilité au cyclage répété. Enfin, les structures permettent de nouvelles technologies portables autonomes sous une action mécanique simple à température ambiante. Finalement, les structures décrites peuvent offrir de nouvelles possibilités pour le camouflage infrarouge appliqué dans le domaine de la sécurité militaire et de la surveillance.