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Matériaux qui ne reflètent pas la lumière
Les réflexions indésirables limitent les performances des technologies basées sur la lumière, telles que les cellules solaires, les objectifs de caméra et les diodes électroluminescentes (DEL). Dans les cellules solaires, par exemple, les réflexions signifient moins de lumière qui peut être convertie en électricité. Aujourd'hui, des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) à Troy, dans l'État de New York, et du fabricant de semi-conducteurs Crystal IS, à Green Island, dans l'État de New York, ont développé un nouveau type de revêtement nanostructuré capable d'éliminer virtuellement les réflexions, conduisant potentiellement à des améliorations spectaculaires des dispositifs optiques. L'ouvrage est publié dans le numéro actuel de Photonique de la nature .
Ne voyant aucun reflet : Deux morceaux de nitrure d'aluminium, un matériau semi-conducteur qui peut être utilisé dans des dispositifs électroluminescents, réfléchissent différentes quantités de lumière. La pièce en haut reflète 12 pour cent de la lumière. Un nouveau revêtement antireflet sur la pièce inférieure réduit la réflexion à environ 0,1 pour cent. La teinte bleutée est due au fait que le revêtement permet à plus de lumière bleue de se refléter. De tels revêtements pourraient améliorer de nombreux dispositifs optiques.
Les chercheurs ont montré qu'ils peuvent empêcher presque toute réflexion d'une large gamme de longueurs d'onde de la lumière en faisant pousser des tiges nanométriques projetées à des angles spécifiques à partir d'une surface. En revanche, les revêtements antireflet conventionnels ne fonctionnent mieux que pour des couleurs spécifiques, c'est pourquoi, par exemple, les lunettes avec de tels revêtements présentent encore de faibles reflets rouges ou verts. Fred Schubert, professeur de physique et d'ingénierie électrique, informatique et des systèmes au RPI et l'un des auteurs de l'étude, dit que le matériau arrête les réflexions de presque toutes les couleurs du spectre visible, ainsi que de la lumière infrarouge, et il réduit également les reflets de la lumière provenant de plus de directions que les revêtements conventionnels. En conséquence, dit-il, la réflexion totale est 10 fois inférieure à ce qu'elle est avec les revêtements actuels.
Appliqué à une cellule solaire, le nouveau revêtement augmenterait la quantité de lumière absorbée de quelques points de pourcentage et la convertirait en électricité, explique Schubert. Une amélioration plus remarquable de 40 % pourrait être observée dans les LED, dit-il, dans lesquelles une grande quantité de lumière générée par un semi-conducteur est généralement piégée à l'intérieur de l'appareil par des réflexions. Le travail fait partie d'un effort croissant parmi les chercheurs pour modifier les propriétés des matériaux, telles que leurs propriétés optiques, en contrôlant les structures à l'échelle nanométrique.
Pour créer des surfaces moins réfléchissantes, les ingénieurs de RPI ont créé un revêtement poreux multicouche qui facilite la transition lorsque la lumière passe de l'air à un matériau solide ou lorsque la lumière est émise par un semi-conducteur dans une LED. La réflectivité est liée à la différence entre la quantité que deux substances, telles que l'air et le verre, réfractent ou courbent la lumière. Réduire la différence réduit la réflexion là où deux matériaux se rencontrent. Dans le nouveau revêtement, chaque couche successive courbe davantage la lumière à mesure que la lumière se déplace de l'air vers un substrat. De même, comme dans l'exemple d'une LED, la lumière sortant d'un semi-conducteur est moins courbée dans chaque couche successive jusqu'à ce qu'elle atteigne l'air.
La théorie derrière cela est connue depuis des décennies, explique Steven Johnson, professeur de mathématiques appliquées au MIT, mais le défi a été de fabriquer une structure à la fois suffisamment poreuse et suffisamment petite pour fonctionner avec les courtes longueurs d'onde de la lumière visible.
Les chercheurs du RPI ont créé une telle structure poreuse en déposant des matériaux sur une surface pour créer des tiges nanométriques. L'inclinaison de la surface permet de faire croître les nanotiges selon un angle. Les chercheurs ont découvert qu'en modifiant l'angle des nanotiges, ils peuvent contrôler la façon dont les nanotiges courbent la lumière, l'indice de réfraction. L'air a un indice de réfraction très proche de un. Les chercheurs ont pu fabriquer une couche supérieure de nanotiges avec ce que Schubert dit être un indice sans précédent de 1,05. (À titre de comparaison, le verre a un indice de réfraction de 1,45 et un semi-conducteur électroluminescent, le nitrure d'aluminium, a un indice d'environ 2,05.) Chaque couche successive a un indice de réfraction plus élevé jusqu'à ce que la dernière couche corresponde presque au substrat. Les deux couches supérieures incorporent des nanotiges de verre. Les trois derniers sont en titane. Les chercheurs ont testé le revêtement sur du nitrure d'aluminium, mais il devrait fonctionner sur une variété de substrats, dit Schubert.
Nous avons développé une nouvelle classe de matériaux dont l'indice de réfraction est inférieur à tout autre matériau optique viable à couche mince qui était disponible dans le passé, explique Schubert. Étant donné que tout dans l'optique dépend de l'indice de réfraction, il dit qu'il pourrait avoir des applications autres que les revêtements antireflet. En effet, les nanotiges pourraient être utilisées pour faire le contraire, créant des miroirs très réfléchissants en associant des couches de nanotiges qui courbent la lumière de manière très différente, plutôt qu'en créant une transition progressive.
Schubert travaille avec une entreprise dérivée pour commercialiser la technologie, et il prévoit que les produits pourraient être disponibles dans trois à cinq ans. La technologie sera confrontée à la concurrence de revêtements conventionnels bon marché ainsi qu'à d'autres nouveaux matériaux nanostructurés. C'est un travail très élégant et magnifique, déclare Michael Rubner, professeur de science et d'ingénierie des matériaux au MIT. Ils ont pu obtenir des valeurs d'indice de réfraction exceptionnellement basses pour un revêtement. La question clé sera toujours le coût par rapport aux performances.