Manchmal erfordert klares Sehen vollständiges Schwarz. In der Astronomie und Präzisionsoptik kann die Beschichtung von Geräten mit schwarzer Farbe Streulicht reduzieren, Bilder verbessern und die Leistung steigern. Bei den fortschrittlichsten Teleskopen und optischen Systemen kommt es auf jedes noch so kleine bisschen an, daher suchen ihre Hersteller nach den schwärzesten Schwarztönen, um sie zu beschichten.
Im Journal of Vacuum Science & Technology AForscher der Universität Shanghai für Wissenschaft und Technologie und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben eine ultraschwarze Dünnfilmbeschichtung für Magnesiumlegierungen in Luft- und Raumfahrtqualität entwickelt. Ihre Beschichtung absorbiert 99,3 % des Lichts und ist gleichzeitig robust genug, um rauen Bedingungen standzuhalten.
Für Teleskope, die im Vakuum des Weltraums betrieben werden, oder optische Geräte in extremen Umgebungen sind vorhandene Beschichtungen oft unzureichend.
„Bestehende schwarze Beschichtungen wie vertikal ausgerichtete Kohlenstoffnanoröhren oder schwarzes Silizium sind aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit eingeschränkt“, sagte Autor Yunzhen Cao. „Bei vielen anderen Beschichtungsmethoden ist es auch schwierig, Beschichtungen innerhalb eines Rohrs oder auf anderen komplizierten Strukturen aufzutragen. Dies ist wichtig für ihre Anwendung in optischen Geräten, da diese oft erhebliche Krümmungen oder komplizierte Formen aufweisen.“
Um diese Probleme zu lösen, wandten sich die Forscher der Atomlagenabscheidung (ALD) zu. Bei dieser vakuumbasierten Herstellungstechnik wird das Target in eine Vakuumkammer gelegt und nacheinander bestimmten Gasarten ausgesetzt, die in dünnen Schichten an der Oberfläche des Objekts haften.
„Ein großer Vorteil der ALD-Methode liegt in ihrer hervorragenden Fähigkeit zur Stufenabdeckung, was bedeutet, dass wir eine gleichmäßige Filmabdeckung auf sehr komplexen Oberflächen wie Zylindern, Säulen und Gräben erzielen können“, sagte Cao.
Um ihre ultraschwarze Beschichtung herzustellen, verwendete das Team abwechselnd Schichten aus aluminiumdotiertem Titankarbid (TiAlC) und Siliziumnitrid (SiO2). Die beiden Materialien wirken zusammen und verhindern, dass nahezu das gesamte Licht von der beschichteten Oberfläche reflektiert wird.
„TiAlC fungierte als absorbierende Schicht und SiO2 wurde verwendet, um eine Antireflexionsstruktur zu erzeugen“, sagte Cao. „Dadurch wird nahezu das gesamte einfallende Licht in der Mehrschichtfolie gefangen, wodurch eine effiziente Lichtabsorption erreicht wird.“
In Tests stellte das Team eine durchschnittliche Absorption von 99,3 % über einen weiten Bereich von Lichtwellenlängen fest, von violettem Licht bei 400 Nanometern bis hin zu nahem Infrarot bei 1.000 Nanometern. Mithilfe einer speziellen Barriereschicht brachten sie ihre Beschichtung sogar auf Magnesiumlegierungen auf, die häufig in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, aber leicht korrodieren.
„Darüber hinaus zeigt die Folie eine hervorragende Stabilität in widrigen Umgebungen und ist robust genug, um Reibung, Hitze, Feuchtigkeit und extremen Temperaturschwankungen standzuhalten“, sagte Cao.
Die Autoren hoffen, dass ihre Beschichtung zur Verbesserung von Weltraumteleskopen und optischer Hardware verwendet wird, die unter extremsten Bedingungen arbeiten, und arbeiten daran, ihre Leistung weiter zu verbessern.
„Da der Film nun über 99,3 % des einfallenden sichtbaren Lichts absorbieren kann, hoffen wir, seinen Lichtabsorptionsbereich noch weiter auf ultraviolette und infrarote Bereiche auszudehnen“, sagte Cao.
Mehr Informationen:
Robuster, ultraschwarzer Film, der durch Atomlagenabscheidung auf einer Magnesiumlegierung mit großer Krümmung abgeschieden wird. Journal of Vacuum Science & Technology A (2024). DOI: 10.1116/6.0003305