Desarrollan un nuevo método sin litografía para producir superficies de vidrio antirreflejantes duraderas

Las superficies antirreflejantes (AR) son apreciadas por su capacidad de minimizar los reflejos no deseados. Este tipo de superficies mejora la eficiencia de diversos dispositivos ópticos como lentes láser, objetivos de cámaras, gafas, pantallas táctiles y sistemas de captación solar. Para aumentar el rendimiento y la versatilidad de los dispositivos ópticos, se han ido desarrollado varias estrategias alternativas al procedimiento tradicional de recubrimiento antirreflejante multicapa. El uso de nanoestructuras de inspiración biológica, como pilares o agujeros nanométricos, directamente sobre la superficie de un sustrato permite manipular la trayectoria de la luz reduciendo la reflexión de un amplio espectro y en un amplio rango de ángulos de incidencia.

Sin embargo, la fabricación de estas superficies nanoestructuradas con las propiedades deseadas es bastante compleja, ya que suele implicar métodos de litografía de múltiples pasos, lo que limita su adopción generalizada debido a los costes y escasa escalabilidad.

Ahora, un nuevo estudio realizado por los investigadores del ICFO Iliyan Karadzhov, Bruno Paulillo y Juan Rombaut, dirigido por el Profesor ICREA del ICFO, Valerio Pruneri, y en colaboración con los investigadores Karl W. Koch y Prantik Mazumder de Corning Incorporated describe un método más simple para crear superficies nanoestructuradas con capacidad antireflejante. Este nuevo enfoque utiliza películas de plata ultra delgadas deshumidificada por temperatura como máscaras de grabado para generar nanoagujeros de tamaño inferior al de la longitud de onda de la luz en superficies de vidrio.  La principal ventaja de este nuevo método es su simplicidad y rentabilidad, ya que evita el proceso litográfico tradicional, mucho más complejo. Los resultados de este estudio han sido publicados recientemente en la revista ACS Applied Materials and Interfaces.

El proceso de fabricación propuesto en el trabajo consta de tres pasos. Primero, se obtienen unas nanopartículas de plata mediante un proceso de recocido térmico de una película ultradelgada de plata sobre un sustrato de vidrio. Estas partículas se utilizan de base para una máscara de grabado secundaria, que se crea depositando una capa delgada de níquel sobre las nanopartículas de plata y luego realizando un grabado químico húmedo selectivo. Finalmente, esta máscara se utiliza en un proceso de grabado en seco para fabricar los nanoagujeros de profundidades diferentes sobre la superficie de vidrio.

"Los nanoagujeros son cavidades diminutas e irregularmente dispuestas sobre una superficie que reducen significativamente la reflexión de la luz al provocar una transición suave del índice de refracción del aire al sustrato", explica Iliyan Karadzhov, investigador del ICFO y miembro del equipo del proyecto NANO-GLASS. "Los elegimos por su mayor durabilidad en comparación con otras nanoestructuras como los nanopilares y su capacidad para proporcionar excelentes propiedades antireflejantes con una mínima dispersión de la luz", añade el primer autor del estudio.

La disposición final y la profundidad de estos nanoagujeros están determinadas por el espesor inicial de la película de plata y la duración del proceso de grabado en seco. El equipo fabricó varias muestras a partir de diferentes máscaras y con varias profundidades de los nanoagujeros, midiendo la transmitancia y la reflectancia en el rango visible y cercano al infrarrojo para probar su rendimiento. Las superficies antirreflejantes desarrolladas exhibieron una respuesta omnidireccional de banda ancha con unos niveles de transmitancia superiores al 99% tanto en el rango visible como en el cercano al infrarrojo, manteniendo una alta transmitancia incluso con ángulos de incidencia de la luz pronunciados (de hasta 60 grados).

Las pruebas de abrasión a la que fueron sometidas las muestras demostraron su solidez mecánica y la durabilida. "Uno de los retos era garantizar que las estructuras de nanoagujeros permanecieran intactas durante las pruebas de abrasión, manteniendo al mismo tiempo un alto rendimiento óptico", recuerda Karl W. Koch, investigador de Corning Incorporated y coautor del estudio. "Conseguimos superar el reto optimizando la geometría de los nanoagujeros y el proceso de fabricación,  logrando un equilibrio entre las propiedades mecánicas y ópticas. Otro reto era escalar el método de fabricación para aplicaciones en áreas más grandes. Esto lo abordamos utilizando técnicas escalables como el deshumidificado térmico", añade Koch.

"Este proceso no solo simplifica la fabricación de superficies antirreflejantes nanoestructuradas, sino que también mejora la resistencia mecánica a la abrasión, un factor crítico para diversas aplicaciones", afirma Prantik Mazumder, investigador de Corning Incorporated.

"Este nuevo método sin litografía aporta nuevas soluciones para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos que requieren de una alta transmisión y durabilidad", concluye Valerio Pruneri, coautor del estudio y coordinador del proyecto NANO-GLASS.

Esta investigación ha sido financiada por el proyecto Nano-Glass, una red de formación innovadora del programa Marie Sklodowska-Curie (MSCA-ITN-2020), centrada en la investigación de materiales de vidrio nanoestructurados. El proyecto tiene como objetivo desarrollar nuevo diseños y métodos para la fabricación de pantallas avanzadas con las que ofrecer una mejor visualización de la información, así como el desarrollo de nuevas fibras ópticas que mejoren la seguridad de las comunicaciones.

Artículo 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