Forscher haben zum ersten Mal experimentell ein mechanisch flexibles Silbernetz demonstriert, das sichtbar transparent ist, eine hochwertige drahtlose optische Infrarotkommunikation ermöglicht und elektromagnetische Interferenzen im X-Band-Teil des Mikrowellenfunkbereichs effizient abschirmt. Optische Kommunikationskanäle sind wichtig für den Betrieb vieler Geräte und werden häufig für die Fernerkundung und -detektion verwendet.
Elektronische Geräte sind heute überall in unseren Häusern, in Fabrikhallen und in medizinischen Einrichtungen zu finden. Eine Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen wird häufig verwendet, um zu verhindern, dass elektromagnetische Strahlung von diesen Geräten einander stört und die Geräteleistung beeinträchtigt.
Elektromagnetische Abschirmung, die auch im Militär verwendet wird, um Ausrüstung und Fahrzeuge vor dem Feind zu verbergen, kann auch die optischen Kommunikationskanäle blockieren, die für die Fernerkundung, Erkennung oder den Betrieb der Geräte benötigt werden. Eine Abschirmung, die Interferenzen blockieren kann, aber optische Kommunikationskanäle zulässt, könnte dazu beitragen, die Geräteleistung in einer Vielzahl von zivilen und militärischen Umgebungen zu optimieren.
„Viele herkömmliche transparente elektromagnetische Interferenzabschirmungen lassen nur sichtbare Lichtsignale durch“, sagte Forschungsteamleiter Liu Yang von der Zhejiang-Universität in China. „Allerdings sind sichtbare Wellenlängen aufgrund des enormen Hintergrundrauschens nicht gut für die optische Kommunikation geeignet, insbesondere für die optische Kommunikation im freien Raum oder drahtlos.“
Im Tagebuch Express für optische Materialien, beschreiben die Forscher ihr neues Netz. Sie zeigen, dass es in Kombination mit transparentem Silikon und Polyethylen eine hohe durchschnittliche elektromagnetische Abschirmwirkung von 26,2 dB im X-Band bei guter optischer Durchlässigkeit in einem breiten Wellenlängenbereich, einschließlich des Infrarotbereichs, erreichen kann.
„Wir nutzen die Vorteile der ultrabreiten Transparenz und geringen Trübung eines metallischen Mikronetzes, um eine effiziente elektromagnetische Abschirmung, sichtbare Transparenz und hochwertige optische Freiraumkommunikation zu demonstrieren“, sagte Yang. „Das Einbetten des Gewebes zwischen transparente Materialien verbessert die chemische Stabilität und mechanische Flexibilität des Silbergewebes und verleiht ihm gleichzeitig eine selbstreinigende Eigenschaft. Diese Eigenschaften ermöglichen eine breite Anwendung unseres Silbergewebes sowohl im Innen- als auch im Außenbereich, sogar auf korrosiven und freien Formen Oberflächen.“
Ein flexibles und transparentes Netz
Die Forscher entwarfen das neue Silbernetz mit einer sehr einfachen Struktur – einem sich wiederholenden quadratischen Gittermuster, das auf ein transparentes und flexibles Polyethylensubstrat aufgebracht wird. Die durchgehende Gitterstruktur macht das Silbergewebe sehr flexibel, indem Spannungen beim Biegen freigesetzt werden. Da die Transparenz des Silbergewebes in erster Linie durch das Öffnungsverhältnis bestimmt wird, ein Maß für die Größe der Löcher im Gewebe, ist es unabhängig von der einfallenden Lichtwellenlänge.
„Ein großes Öffnungsverhältnis zum Beispiel ist vorteilhaft für eine hohe, breitbandige Transparenz und geringe Trübung, ist jedoch nachteilig für eine hohe Leitfähigkeit und damit für eine elektromagnetische Abschirmleistung“, sagte Yang. „Da die physikalischen Parameter für unser Gewebe einfach optimiert werden können, indem die Gitterperiode, die Linienbreite und die Dicke geändert werden, ist es einfacher, ausgewogene optische, elektrische und elektromagnetische Eigenschaften zu erzielen, verglichen mit dem, was mit anderen Arten von transparenten leitfähigen Filmen möglich ist, wie z wie Silber-Nanodraht-Netzwerke, ultradünne Metallfilme und Materialien auf Kohlenstoffbasis.“
Um ihre neue Technologie zu demonstrieren, stellten die Forscher ein Silbernetz auf einem Polyethylensubstrat her. Das Netz hatte eine Gitterperiode von ungefähr 150 &mgr;m, eine Gitterlinienbreite von ungefähr 6 &mgr;m und eine Dicke, die von 59 bis 220 nm reichte. Diese wurde dann mit einer Schicht aus 60 µm dickem Polydimethylsiloxan bedeckt. Der resultierende Film zeigte eine hohe Transmission für einen breiten Wellenlängenbereich von 400 nm bis 2000 nm und einen Flächenwiderstand von nur 7,12 Ω/sq, was eine hohe elektromagnetische Abschirmwirkung von bis zu 26,2 dB im X-Band ermöglichte. Die Forscher zeigten auch, dass die Folie niederfrequente Handysignale abschirmen kann.
Die Forscher weisen darauf hin, dass es sich bei dieser Arbeit nur um eine Prototyp-Demonstration handelt, sodass noch viel Raum für Verbesserungen besteht. Beispielsweise würde die Verwendung von leitfähigeren Materialien die Wirksamkeit der elektromagnetischen Abschirmung verbessern, und Materialien, die transparenter sind und eine geringere Trübung aufweisen, könnten nicht nur die sichtbare Transparenz, sondern auch die Qualität der optischen Freiraumkommunikation verbessern.
Sie erforschen auch transparente leitfähige Materialien im mittleren Infrarotbereich, die die FSO-Kommunikation auf längere Wellenlängen ausdehnen würden, wo atmosphärische Interferenzen reduziert und eine höhere Kommunikationsqualität erreicht werden können. Für die Kommerzialisierung müsste das Netz außerdem praktischer zu installieren und kostengünstiger sein.
Mehr Informationen:
Qiyun Lei et al, Transparentes und flexibles Breitband-Silbernetz für eine effiziente Abschirmung elektromagnetischer Interferenzen und hochwertige optische Freiraumkommunikation, Express für optische Materialien (2022). DOI: 10.1364/OME.478830