東京大學開發了一項可在1 T~1,200 THz範圍內實現98%以上吸收率的光吸收材料,可望適用於電磁波屏蔽材料、輻射測量設備的校準用黑體等用途。新材料結合了蛾眼結構(Moth Eye)中金字塔狀排列之微細突起所帶來的阻抗匹配(Impedance Matching)效果,以及碳膜本身具備的寬頻吸收特性,俾使光的吸收效率與頻寬均超越現有材料。
研究中首先以飛秒雷射加工技術製作出高240 μm、週期67 μm的矽基蛾眼結構,接著再使用化學氣相沉積法(CVD)在結構的表面與基板背面鍍上一層碳薄膜。透過數值模擬計算不同碳膜厚度下的光學特性後發現,當碳膜厚度為100 nm時,在1THz頻率區段的吸收率幾乎達到100%。因此,樣品製作時即將膜厚控制在100 nm。
研究團隊使用了太赫茲時域光譜(THz-TDS)、傅立葉轉換紅外光譜(FTIR)及分光光度計對樣品進行透射與反射光譜的測量,並從中計算出吸收光譜。結果確認,在從太赫茲至深紫外的1 THz至1,200 THz區域內,材料吸收率超過98%,展現出極寬頻的高效吸收特性。
透過對結構周邊電場分布的模擬發現,在太赫茲頻段的低頻區,蛾眼結構提升了碳膜與電磁波之間的交互作用,增強了吸收能力。而在接近可見光頻率的高頻區,透過最佳化膜厚,實現了反射與透射之間的控制,促使多次反射過程中近乎100%的能量被吸收。
新開發的吸收材料不僅可作為通訊或電波天文領域的電磁屏蔽材料,亦可應用於能源轉換、紅外輻射控制等用途。此外,由於採用了矽基材,具備結構堅固的特性,即使在低溫或真空等嚴苛環境下也不易損壞。東京大學表示,若進一步控制蛾眼結構的形狀,將可望在更低頻段實現完全吸收,並將有助於開發提升次世代無線通訊性能的關鍵元件。