Desenvolupen un nou mètode sense litografia per produir superfícies de vidre antireflectants i resistents

Les superfícies antirreflectants (AR) són apreciades per la seva capacitat de minimitzar els reflexos no desitjats. Aquest tipus de superfície millora l'eficiència de diversos dispositius òptics com ara les lents làser, els objectius de les càmeres, les ulleres, les pantalles tàctils o els sistemes de captació de la llum solar. Per tal d'augmentar el rendiment i la versatilitat dels dispositius òptics, s'han desenvolupat diverses estratègies alternatives al procediment tradicional de recobriment antirreflectant multicapa. La utilització de nanoestructures inspirades en  la biològia, com ara els  pilars o els forats nanométrics, directament sobre la superfície d'un substrat permet manipular la trajectòria de la llum reduint la reflexió d'un ampli espectre i en un ampli rang d'angles d'incidència.

No obstant això, la fabricació d'aquestes superfícies nanoestructurades amb les propietats desitjades és un procediment complex, ja que sol implicar mètodes de litografia de múltiples passos, un fet que que limita la seva adopció generalitzada a causa dels costos elevats i la baixa escalabilitat..

Ara, un nou estudi realitzat pels investigadors de l'ICFO Iliyan Karadzhov, Bruno Paulillo i Juan Rombaut, dirigit pel professor ICREA de l'ICFO Valerio Pruneri, i en col·laboració amb els investigadors Karl W. Koch i Prantik Mazumder de Corning Incorporated, descriu un mètode més simple per crear superfícies nanoestructurades amb capacitat antirreflectant. Aquest nou métode utilitza pel·lícules de plata ultrafines deshumidificades per temperatura com a màscares de gravat per generar forats nanomètrics amb una mida inferior a la longitud d'ona de la llum en superfícies de vidre.  El principal avantatge d'aquest nou mètode és la seva simplicitat i rendibilitat, ja que evita el procés litogràfic tradicional, molt més complex. Els resultats d'aquest estudi s'han publicat recentment a la revista ACS Applied Materials and Interfaces.

El nou procés de fabricació que es proposa en  el treball consta de tres passos. Primer, s'obtenen unes nanoparticules de plata mitjançant un procés de recuit tèrmic d'un el.licula ultrafina de plata sobre un substrat de vidre. Aquestes particules s'utilitzen com a base per a una màscara de gravat secundària, que es crea dipositant una capa prima de níquel sobre les nanopartícules de plata i realitzant després un gravat químic humit selectiu. Finalment, aquesta màscara s'utilitza en un procés de gravat en sec per a fabricar els nanoforats de diferents profunditats sobre la superfícies de vidre.

"Els nanoforats són cavitats diminutes disposades de forma irregular sobre una superfície que redueixen significativament la reflexió de la llum, ja que provoquen una transició suau de l'índex de refracció de l'aire al substrat", explica Iliyan Karadzhov, investigador de l'ICFO i membre de l'equip del projecte NANO-GLASS. "Vam triar-los per la seva major durabilitat en comparació amb altres nanoestructures com els nanopilars i per la capacitat de proporcionar excel·lents propietats antirreflectants amb una mínima dispersió de la llum", afegeix el primer autor de l'estudi.

La disposició final i la profunditat de les nanocavitats depén del gruix inicial de la pel·lícula de plata i la durada del procés de gravat en sec. L'equip va fabricar diverses mostres a partir de diferents màscares i amb diverses profunditats dels nanoforats, mesurant la transmitància i la reflectància en el rang visible i proper al infraroig per tal de provar el seu rendiment. Les superfícies antirreflectants desenvolupades van exhibir una resposta omnidireccional de banda ampla amb uns nivells de transmitància superiors al 99% tant en el rang visible com en el proper a l'infraroig, mantenint una alta transmitància fins i tot amb angles d'incidència de la llum pronunciats (de fins a 60 graus).

Les proves d'abrasió a les quals van ser sotmeses les mostres van demostrar la seva solidesa mecànica i la durabilitat. "Un dels reptes era assegurar que les estructures dels nanoforats es mantinguessin intactes durant les proves d'abrasió, al mateix temps que es mantenia un alt rendiment òptic," recorda Karl W. Koch, investigador de Corning. "Això es va superar optimitzant la geometria dels nanoforats i el procés de fabricació per equilibrar les propietats mecàniques i òptiques. Un altre repte va ser escalar el mètode de fabricació per a aplicacions de gran superfície, cosa que es va abordar aprofitant tècniques escalables com deshumidificació tèrmica," afegeix.

"Aquest procédiment no només simplifica la fabricació de superfícies antireflectants nanoestructurades, sinó que també millora la resistència mecànica a l'abrasió, un factor crític per a diverses aplicacions", explica Prantik Mazumder, investigador de Corning Incorporated.

"Aquest nou mètode sense litografia aporta noves solucions per al desenvolupament de dispositius optoelectrònics que requereixen d'una alta transmissió i durabilitat", conclou Valerio Pruneri, coautor principal de l'estudi i coordinador del projecte NANO-GLASS.

Aquesta investigació ha estat finançada pel projecte Nano-Glass, una xarxa de formació innovadora del programa Marie Sklodowska-Curie (MSCA-ITN-2020), centrada en la investigació de materials de vidre nanoestructurat. El projecte té com a objectiu desenvolupar nous dissenys i mètodes de nanoestructuració per a la fabricació de pantalles avançades que ofereixin una millor visualització de la informació, així com el desenvolupament de noves fibres òptiques que millorin la seguretat de les comunicacions.

Article original

Karadzhov, I., Paulillo, B., Rombaut, J., Koch, K.W., Mazumder, P., and Pruneri, V. Mechanically-durable antireflective subwavelength nanoholes on glass surfaces using lithography-free fabrication. ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 15, 19672–19680. DOI: http://doi.org/10.1021/acsami.3c15391