Lớp phủ "siêu đen" giúp tăng độ nhạy cho thiết bị quang học

Vào năm 2011, NASA đã công bố nghiên cứu về một loại lớp phủ siêu đen (super-black) để tăng độ nhạy cho các cảm biến và thiết bị quang học sử dụng ngoài không gian.

Tuy nhiên, vào thời điểm đó lớp phủ chỉ có thể được chế tạo trên các bề mặt phẳng. Giới hạn này giờ đây đã được khắc phục bởi kỹ sư quang học John Hagopian cùng nhóm nghiên cứu đến từ trung tâm hàng không không gian Goddard của NASA. Bằng một kỹ thuật có tên gọi Atom layer deposition - ALD (tạm dịch là lắng đọng lớp nguyên tử), họ đã có thể tạo ra một lớp ống nano carbon không đồng nhất trên nhiều bề mặt có hình dạng khác nhau. Qua đó, nhóm nghiên cứu cho rằng kỹ thuật trên sẽ mở rộng tiềm năng công nghệ khi các ống nano carbon có thể được "trồng" trên các bộ phận quang học 3 chiều.

Trước khi nói đến kĩ thuật ALD, chúng ta cần phải hiểu vật liệu siêu đen (super-black) là gì? Về khía cạnh khoa học, tên gọi super-black được dành cho các vật liệu gần như không phản xạ ánh sáng. Hagopian cùng nhóm nghiên cứu đã tìm cách tinh chỉnh sao cho vật liệu hấp thụ trung bình hơn 99% các tia hồng ngoại, ánh sáng thấy được, tia cực tím và ánh sáng xa hồng ngoại khi chiếu vào. Để thực hiện, họ sử dụng các ống nano carbon. Chúng được trồng giống như một cánh rừng trên bề mặt các vật liệu được dùng trên tàu vũ trụ. Khoảng trống siêu nhỏ giữa các ống nano sẽ bắt ánh sáng, đồng thời carbon sẽ hấp thụ photon. Qua đó, không có ánh sáng phản xạ khỏi vật liệu đúng như tên gọi siêu đen của nó. Vật liệu siêu đen chứa một lớp phủ được tạo thành bởi các ống nano carbon đa vách, mỏng hơn 10.000 lần so với sợi tóc người.

Về kỹ thuật ALD (Atomic Layer Deposition), các kỹ sư đã cho lắng đọng một lớp xúc tác sắt oxit cơ bản, hoạt động như một lớp đất nền để trồng các ống nano trong một buồng phản ứng. Các phản ứng ALD thông thường sử dụng 2 hoá chất và từng hóa chất sẽ lần lượt phản ứng với bề mặt trong một khoảng thời gian nhất định. Bên trong buồng phản ứng, nhiều loại khí khác sau sẽ được bơm vào để làm lắng đọng một tấm phim nguyên tử mỏng trên bộ phận 3 chiều. Các nhà nghiên cứu sau đó đưa vào một chiếc lò, đốt nóng lên nhiệt động khoảng 750 độ C đồng thời dìm thành phần vào khí có chứa carbon.

Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật ALD với quy trình trồng các ống nano để tạo ra một lớp xúc tác không đồng nhất. Hagopian giải thích rằng các kỹ thuật thông thường chỉ có thể "tạo ra lớp phủ trên bề mặt tương tự như cách bạn dùng bình sơn xịt theo một góc cố định". Các kỹ thuật như vậy có thể khiến bề mặt xúc tác dùng để trồng ống nano trở nên gồ ghề khi áp dụng với các bộ phận 3 chiều. Trong khi đó, kỹ thuật ALD cho phép kiểm soát độ mỏng và thành phần của tấm phim nguyên tử.

Vivek Dwivedi - đồng tác giả nghiên cứu đã hợp tác với đại học Maryland tại College Park để cải tiến công nghệ phản ứng ALD nhằm tối ưu hóa cho các ứng dụng không gian. Hagopian trong khi đó đã dựa vào các dịch vụ của trung tâm chế tạo nano Melbourne (MCN) và thông qua cổng thương mại trực tuyến Science Exchange nơi các nhà cung cấp dịch vụ khoa học và thí nghiệp có thể hợp tác để xác định tầm nhìn đối với công nghệ ALD.

Lachlan Hyde đang làm việc với 1 trong 2 hệ thống ALD tại MCN

Nhóm nghiên cứu tại MCN dẫn đầu bởi Lachlan Hyde - một chuyên gia trong lĩnh vực lắng đọng lớp nguyên tử đã đề ra một công thức hóa học chính xác cho tấm phim xúc tác mỏng nói trên. Công thức bao gồm các loại khí cần thiết kèm với nhiệt độ và áp suất thích hợp bên trong lò phản ứng.

Hyde cùng các cộng sự đã thành công trong việc lắng đọng tấm phim xúc tác trên nhiều bộ phận của thiết bị quang học khác nhau của NASA, điển hình như thành phần đĩa ẩn (occulting disk) có tạo hình rất tinh vi được dùng trong kính thiên văn để quan sát các hành tinh ở xa xung quanh những ngôi sao khác. Họ hy vọng có thể áp dụng kỹ thuật của Hyde trên nhiều bộ phận bằng công nghệ phản ứng tùy biến của Dwivedi.

Ngoài ra, nhóm của Hagopian cũng đã trồng thành công các ống nano carbon trên những mẫu vật thể 3 chiều và họ đang tìm cách đưa đặc tính siêu đen lên các công nghệ quang học khác.