나노물질
산업 제조
레이저 구동 플라이어 어셈블리에서 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 직접 레이저 라이팅 기술을 사용하여 나노구조의 흡수층이 서로 다른 3가지 종류의 Al 플라이어 플레이트를 준비했습니다. 가속 챔버의 미세 구조, 광 흡수 및 플라이어 속도를 조사했습니다. 1064nm 파장에서 플라이어에 대한 반사율은 나노구조의 흡수층에 의해 81.3%에서 9.8%로 감소될 수 있습니다. 60mJ 레이저 펄스에 의해 조사된 50μm 두께의 Al 플라이어의 종단 속도는 831 m/s인 반면, 제자리에서 제작된 나노 흡수층이 있는 플라이어의 속도는 최대 1113 m/s에 도달합니다. 같은 조건. 결과적으로 나노구조 흡수층이 있는 플라이어의 에너지 변환 효율은 Al 플라이어의 1.99배에 달할 수 있습니다. 따라서 플라이어 표면에 준비된 나노구조 흡수층은 레이저 구동 플라이어의 에너지 변환 효율을 크게 향상시키는 새로운 방법을 제공합니다.
폭발물 폭발에 사용되는 레이저 구동 플라이어(LDF)는 응축상 물질의 잘 제어되고 짧은 펄스 충격 압축에 대한 유망한 접근 방식을 제공합니다[1,2,3,4]. LDF 설정에서 투명 창 기판에 의해 지지되는 얇은 금속 호일은 종종 나노초 펄스 레이저에 의해 발사되고, 절제 층이라는 금속 호일 층은 고압 플라즈마를 즉시 생성하고 그 후 플라즈마는 잔해를 구동합니다. 플라이어로 초속 몇 킬로미터의 속도로 날아가는 금속 호일. 금속 알루미늄은 강도가 좋고 밀도가 낮기 때문에 전단지 재료로 이상적입니다. 그러나 순수한 알루미늄 플라이어의 높은 반사로 인해 많은 부분의 에너지가 손실되기 때문에 플라이어의 에너지 변환 효율(플라이어 운동 에너지와 입사 레이저 에너지 사이의 비율로 정의됨)은 매우 낮아 LDF의 실제 적용을 제한했습니다[5, 6].
LDF의 에너지 변환 효율을 향상시키기 위한 목적으로 많은 작업이 수행되었습니다. 반사 감소로 인해 입사되는 레이저 파장에서 더 강한 흡수를 갖는 층을 도입함으로써 에너지 변환 효율이 향상될 수 있다는 점을 고려하여[7], 순수 알루미늄에 비해 반사율이 낮은 많은 물질이 흡수층으로 연구되어 왔다. Labasteet al. [8] 및 Brierley et al. [9]는 에너지 변환 효율을 개선하기 위해 흡수층으로 여러 재료를 조사했으며 Ge, Ti 및 Zn의 추가가 반사를 감소시키고 플라이어 속도를 약간 증가시킬 수 있음을 발견했습니다. 플라이어의 흡수층으로 검은색 페인트를 한 겹 칠했지만 속도는 분명히 개선되지 않았습니다. 이러한 저반사 재료는 흡수뿐만 아니라 절제층 역할도 하기 때문에 상호작용 재료 효율은 플라이어 재료의 광학적 특성과 열역학적 특성에 모두 의존하기 때문에[10], 플라이어 속도의 증가는 제한적입니다.
최근 LSPR(Localized Surface Plasmon Resonance)의 여기를 통해 광 흡수를 향상시키기 위해 플라즈몬 나노 물질을 사용하는 것은 분광 센서 및 태양 에너지 변환 분야에서 상당한 관심을 끌고 있다[11,12,13]. 알루미늄 나노구조는 LSPR의 자외선에서 가시광선까지 넓은 스펙트럼 범위를 포함하기 때문에 광 수확 시스템으로 사용할 수 있습니다[14,15,16,17]. Zhang et al. [18]은 광학 시뮬레이션을 사용하여 알루미늄 입자를 통합함으로써 흡수율을 40% 향상시킬 수 있음을 발견했습니다. Lee et al. [19]는 알루미늄 코어-쉘 나노구조를 사용하여 플라즈몬 강화 광 수확을 위한 강력한 플랫폼을 달성하기 위한 설계 전략을 보고했으며, 이는 광-화학적 전환의 현저한 증가를 가져왔습니다. Fanet al. [20]은 두꺼운 금속 표면에 매우 효과적인 반사 방지 마이크로 나노 구조를 제조하기 위한 초고속 레이저 처리 전략과 자외선에서 근적외선까지의 광대역 스펙트럼에서 평균 반사율이 4.1%, 2.4%, 3.2%임을 입증했습니다. Cu, Ti 및 W 각각의 표면이 달성되었습니다. 그러나 우리가 아는 한 LDF에서 레이저 흡수를 향상시키기 위해 나노구조 재료를 사용하는 연구는 없습니다.
이 연구에서 우리는 레이저 흡수와 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해 얇은 Al 플라이어의 표면에 준비된 제자리에서 나노구조의 알루미늄 흡수층을 제안합니다. 직접 레이저 쓰기라고 하는 펨토초 레이저 쓰기 기술은 정밀도, 상대적 단순성 및 높은 수율로 인해 나노 구조를 제조하는 데 사용되었습니다[21,22,23]. 현장에서 준비된 나노구조의 표면 형태와 조성을 특성화하고 광 흡수를 테스트했습니다. 나노구조의 흡수층이 있는 전단지의 에너지 변환 효율을 평가하기 위해 단일 펄스 레이저를 사용하여 전단지를 발사하고 PDV(photonic Doppler velocimetry)로 속도를 구했습니다. 또한 전단지의 운동에너지와 에너지변환효율을 계산하여 논의하였다.
60 mm × 60 mm × 50 μm(너비, 길이, 높이) 크기의 알루미늄 호일을 기준 전단지로 사용했습니다. 이 포일은 낮은 표면 평균 거칠기를 달성하기 위해 먼저 전기 화학적으로 연마되었습니다. 나노구조의 흡수층은 대기 분위기에서 직접 레이저로 Al 호일 표면에 준비되었습니다. 직접 레이저 쓰기는 1030 nm의 파장, 600 fs의 펄스 지속 시간, 200 kHz의 반복률을 가진 편광 펨토초 레이저(FX200-3-GFH, EdgeWave, Germany)를 사용했습니다. 출력 레이저 출력은 0에서 100 W까지 다양합니다. 그림 1은 샘플을 제작하기 위한 직접 레이저 쓰기 준비 과정을 보여줍니다. Al 호일 표면의 나노 구조는 방사선 레이저 출력과 스캔 속도 및 주기를 변경하여 제어했습니다. 상이한 나노구조의 흡수층을 갖는 3개의 샘플(샘플 A, B 및 C)이 준비되었다. 샘플 A는 y 방향 및 25μm 스캔 기간. 샘플 B는 x 그리고 y 방향 및 1μm 스캔 기간. 샘플 C는 x 그리고 y 방향 및 100nm 스캐닝 기간.
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샘플 준비 방법의 개략도
샘플 표면의 형태는 에너지 분산 X선 분석(EDX, Oxford, Britain)과 결합된 주사 전자 현미경(SEM, Ultra 55, Zeiss, Germany)에 의해 특성화되었습니다. 샘플에 대한 500 ~ 1500 nm 파장의 광학 파장 의존적 반사율 측정은 적분구가 통합된 UV-VIS-NIR 분광 광도계(SolidSpec-3700, Shimadzu, Japan)를 사용하여 수행되었습니다.
그림 2는 플라이어를 발사하고 플라이어 속도를 특성화하는 데 사용되는 실험 설정을 보여줍니다. 플라이어 속도는 플라이어 성능을 추정하는 핵심 요소 중 하나입니다. Q-switched Nd:YAG 레이저(Innolas SpitLight 400, 1064nm 파장, 14ns 펄스 길이)를 사용하여 준비된 샘플을 제거 및 발사하고 PDV 시스템을 적용하여 샘플의 플라이어 속도를 측정했습니다. 레이저 빔의 공간 에너지 분포는 집속된 빔 자체가 매우 불균일하기 때문에 확산 광학에 의해 균질화되었습니다. 레이저 스폿의 직경은 0.5 mm였습니다. 속도 측정 실험에서 샘플을 작은 조각으로 자르고 나노구조 층이 창에 달라붙은 상태로 사파이어 창에 부착했습니다. 두께가 0.2 mm이고 내경이 0.6 mm인 강철 가속 챔버가 사용되었습니다. 가속 챔버에서 빠르게 날아가는 전단지를 만들기 위해 샘플에 60밀리줄의 단일 레이저 펄스를 쏘았습니다. PDV 시스템과 연결된 광섬유는 플라이어의 속도를 기록하기 위해 가속 챔버의 출구에 배치되었습니다.
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전단 발사 시스템 및 전단 속도 기록 시스템(PDV)의 개략도
그림 3a-f는 샘플 A, B 및 C의 나노구조 흡수층의 미세 구조를 보여줍니다. 샘플 A는 v의 스캔 속도로 한 방향으로 초고속 레이저로 조사되었기 때문에 x =0 및 v 와 =1000 mm/s일 때, 시료 A의 표면은 Fig. 3a와 같이 반주기적인 구조를 보인다. 도 3d의 샘플 A에 대해 나노 구형 구조가 관찰되었다. 약 50~200 nm 직경의 나노구체는 직경이 10 nm 미만인 더 작은 나노구체로 덮였습니다. 샘플 B와 C는 양방향으로 조사되었으며 스캔 속도는 샘플 A보다 훨씬 빠릅니다. 도 3b 및 c에 도시된 바와 같이 표면에서 명백한 주기 구조가 관찰되지 않았다. 시료 B의 경우 표면에 마이크로미터 단위의 입자가 많이 관찰되었으며(그림 3b), 입자는 콜리플라워 나노구조로 구성되었다(그림 3e). 샘플 C는 샘플 A, B에 비해 훨씬 더 빠른 속도로 조사 및 스캔되기 때문에 나노 입자의 축적이 훨씬 빠르고 열 효과가 더 두드러졌습니다. 결과적으로, 훨씬 더 두꺼운 나노시트 및 나노입자 응집체가 도 3c 및 f에서 관찰되었다. 그리고 눈에 띄는 입열로 인해 냉각 과정에서 상대적으로 높은 응력이 발생하여 표면에 다중 크랙이 발생했습니다.
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아 샘플 A에 대해 × 1000 확대한 SEM 이미지. b 샘플 B에 대해 × 1000 확대한 SEM 이미지. c 샘플 C에 대해 확대된 × 1000의 SEM 이미지. d 샘플 A에 대해 확대된 × 4000의 SEM 이미지. e 샘플 B에 대해 × 4000 확대한 SEM 이미지. f 샘플 C에 대해 × 4000 확대한 SEM 이미지. g 샘플 A에 대한 EDX. h 샘플 B에 대한 EDX. i 샘플 C용 EDX
그림 3g–i는 각각 샘플 A, B 및 C에 대한 에너지 분산 X선 분석(EDX) 결과입니다. EDX는 Al2의 존재를 보여주었습니다. O3 나노 구조의 구성에서 산화물. 산화물은 레이저 라이팅 과정에서 알루미늄의 산화로 인해 형성되었습니다. 시료 A, B, C의 산소 함량은 각각 2.2, 8.4, 22.9원자%였다. 명백하게, 샘플 B와 C는 샘플 A에 비해 훨씬 더 높은 산소 함량을 갖는 반면, 샘플 B(13.82 W)에 대한 조사 레이저 파워는 샘플 A(22.60 W)에 대한 조사 레이저 파워보다 낮았고 샘플 A 및 C에 대한 조사 레이저 파워는 이는 스캐닝 속도와 스캐닝 기간이 직접 레이저 라이팅 중 열 발생 및 발산에 큰 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 그리고 스캐닝 속도가 증가하고 스캐닝 주기가 감소함에 따라 산화가 증가합니다.
그림 4a는 Al 호일과 나노구조의 흡수층이 있는 전단지의 광학현미경 외관을 보여줍니다. Al 호일의 색상은 은백색입니다. 나노구조의 흡수층을 추가하면 샘플 A, B, C가 회색, 검은색, 짙은 검은색을 나타내어 흡수층으로 더 많은 빛을 흡수할 수 있음을 나타냅니다. Al 호일과 샘플 A, B, C의 반사율은 분광 광도계로 테스트하고 각 샘플에 대해 측정을 2회 반복합니다. 그림 4b는 Al 호일과 나노구조 흡수층이 있는 알루미늄 플라이어의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 금속을 통한 적외선의 투과 두께는 수십 나노미터에서 수백 나노미터까지 다양하기 때문에[24], 두께가 50 μm인 Al 호일 샘플을 통해 빛이 투과되지 않았습니다. 그리고 적분구를 이용한 측정에서는 반사광에 산란광을 포함시켰다. 결과적으로 흡수는 1-R(반사율)로 계산할 수 있습니다. Al 호일과 나노구조의 흡수층이 있는 알루미늄 플라이어 사이에는 차이가 분명했습니다. Al 호일의 반사율은 1064 nm의 레이저 파장에서 81.3%로 입사광의 81.3%가 반사되었음을 나타냅니다. 평균 반사율은 샘플 A, B 및 C에 대해 각각 50.5%, 31.5% 및 9.8%로 감소될 수 있습니다. 따라서 직접 레이저 라이팅에 의해 제조된 나노구조 흡수층으로 광흡수를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 샘플 C는 샘플 A와 B에 비해 1064 nm에서 가장 강한 흡수(90.2%)를 나타냅니다. 나노구조의 효과 외에도 나노구조에 존재하는 산화알루미늄도 전단지의 빛 흡수에 엄청난 영향을 미친다고 생각합니다. 일반적으로 Al2 O3 투명하고 빛을 흡수하지 않습니다. 그러나 직접 레이저 쓰기 공정에서는 생성된 Al2 O3 및 알루미늄 입자를 포함하여 금속-유전체-금속 구조를 형성한다. 구조는 표면 플라즈몬 공명을 강화하고 광 흡수를 증가시키는 F-P 공동으로 작용합니다[25]. 샘플 A와 B의 산소 농도가 샘플 C의 산소 농도보다 훨씬 낮기 때문에 Al2 O3 입자는 다른 샘플보다 샘플 C가 더 풍부하여 결과적으로 표면 플라즈몬 공명 효과가 더욱 향상되고 훨씬 더 강한 흡수를 얻을 수 있습니다.
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아 Al 호일과 샘플 A, B 및 C의 광학 현미경 외관. b Al 호일과 샘플 A, B, C의 반사 스펙트럼
그림 5는 Al 호일과 샘플 A, B, C의 플라이어 속도를 보여줍니다. 30 ns의 시작 부분에서 플라이어 속도는 급격히 증가합니다. 그 후 플라이어 속도는 30에서 200 ns로 점차 증가하고 시간이 200 ns를 초과하면 거의 변하지 않습니다. 샘플 A, B 및 C에 대한 터미널 플라이어 속도는 각각 1083 m/s, 1173 m/s 및 1110 m/s이며, 이는 Al 호일(831 m/s). 이러한 결과는 in situ 나노구조 층의 추가가 광 흡수를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 플라이어 속도를 향상시킬 수 있음을 확인시켜주었다. 샘플 B의 플라이어 속도는 샘플 C보다 높지만 샘플 C는 가장 강한 광 흡수를 갖는다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 그 이유는 샘플 C가 훨씬 더 풍부한 Al2을 가지고 있기 때문입니다. O3 샘플 B와 비교한 함량. 이온 결합 및 금속 결합은 Al2에서 형성됨 O3 및 Al. 그리고 이온 결합이 금속 결합보다 훨씬 강하여 Al2의 기화점과 녹는점을 만드는 것으로 알려져 있습니다. O3 알보다 높다. Al2의 융점 및 기화점 O3 Al의 융점 및 기화점은 각각 2054 °C 및 2980 °C인 반면, Al의 융점 및 기화점은 각각 660 °C 및 2519 °C입니다. 또한 열전도율은 Al2의 경우 29.3 W/mK 및 237 W/mK입니다. O3 그리고 알. 따라서 Al2가 더 어렵습니다. O3 순수한 알루미늄에 비해 융점이 높고 열전도율이 낮기 때문에 입사 펄스 레이저에서 기화 및 플라즈마 형성 [26]. 따라서 Al2에 의해 광흡수가 향상되지만 O3 한편, 샘플 C에서는 Al2 O3 전단지를 운전하는 데 도움이되지 않는 동안 입사 레이저 에너지의 일부를 소비합니다.
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아 PDV를 사용하여 얻은 가속 챔버에서 Al 호일과 샘플 A, B, C의 플라이어 속도. ㄴ Al 호일 및 샘플 A, B 및 C의 터미널 플라이어 속도
전단지의 운동 에너지는 다음 관계식으로 얻을 수 있습니다.
$$ E=\frac{\left({m}_f-{m}_a\right){v}^2}{2} $$ (1)m f 는 원래 전단지 질량이고 m 아 제거된 플라이어 질량을 나타냅니다. 또한 전단지가 비행 과정에서 통합 상태를 유지한다고 가정합니다. 제거된 플라이어 질량은 Lawrence and Trott 모델[27]에 따라 평가할 수 있습니다.
$$ {m}_a=\frac{\pi {r}^2}{\mu_{\mathrm{eff}}}\ln \frac{\mu_{\mathrm{eff}}{I}_0\left( 1-k\right)}{\varepsilon_d} $$ (2)여기서 r 전단지의 반경, μ 에프 유효 흡수 지수, I 0 입사 레이저 강도, k 는 에너지 손실 지수이고 ε d 기화 에너지입니다.
전단지의 에너지 변환 효율은 다음 방정식을 사용하여 나타낼 수 있습니다.
$$ \xi =\frac{E_{\mathrm{f}}}{E_{\mathrm{l}}} $$ (3)여기서 ξ 전단지의 에너지 변환 효율을 나타냅니다. E f 전단지의 운동 에너지를 나타내며 E l 입사 레이저 에너지를 나타냅니다.
플라이어 운동 에너지와 에너지 변환 효율을 계산한 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 샘플 A, B, C의 에너지 변환 효율은 각각 36.8%, 43.2%, 38.6%로 1.70, 1.99, Al 호일의 1.78배(21.7%). 이 연구에서 나노구조의 흡수층을 Al 호일에 추가했을 때 가장 높은 에너지 변환 효율은 거의 두 배가 되었습니다. 실험 결과는 표 1에 요약되어 있습니다. 따라서 전단지 표면에 나노구조의 흡수층을 현장에서 제작하는 것은 LDF의 에너지 변환 효율을 크게 향상시키는 새로운 방법을 제공합니다.
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Al 호일과 시료 A, B, C의 계산된 운동 에너지 및 에너지 변환 효율
나노구조의 흡수층은 직접 레이저 라이팅 기술에 의해 얇은 Al 호일 표면에 성공적으로 제자리에서 준비되었습니다. 또한, 우리는 레이저 펄스 주입을 제어함으로써 마이크로 스케일 및 나노 스케일 구조적 특징을 모두 실현할 수 있음을 시연했습니다. 결과적으로, 광 반사율의 실질적인 감소 및 광 흡수의 상당한 향상이 실현될 수 있다. Al 호일 표면에 나노흡수층을 in situ로 준비함으로써 광흡수율을 18.7%에서 90.2%로 높일 수 있다. 빛 흡수의 증가는 차례로 레이저 구동 플라이어의 속도와 운동 에너지의 명백한 증가를 초래할 것입니다. 나노구조의 흡수층이 있는 플라이어의 에너지 변환은 Al 호일에 비해 크게 향상될 수 있으며, 이 연구의 최대 에너지 변환은 최대 43.2%에 도달하여 Al 호일(21.7%)의 1.99배입니다. 따라서 전단지 표면에 준비된 알루미늄 나노구조 흡수층 in situ는 레이저 에너지의 흡수를 증가시키고 LDF의 에너지 변환 효율을 향상시키는 새로운 방법을 제공합니다. 또한, 이 작업에 존재하는 in situ 준비 기술은 광화학, 감지, 광검출기 및 양자 광학 분야에서도 유망합니다.
모든 저자는 독자가 자료, 데이터 및 관련 프로토콜을 사용할 수 있으며 분석에 사용된 모든 데이터가 이 기사에 포함되어 있음을 선언합니다.
나노물질
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