“ 黑夜給了我黑色的眼睛

我卻用它來尋找光明 ”

我們之所以能夠看見物體，是由于物體上反射出的光波進入眼睛。如果某種物體可以全部吸收所有波段上的光波，光波無反射、無透射。那么，這種物體就無法被人眼和各種光學儀器直接觀察到，這個物體也就做到了真正意義上的光學隱身。

為了充分感知到物體發(fā)射或反射出的*微弱的光波，光學儀器內(nèi)部就應該盡量減少各種因反射帶來的特定波段雜散光的干擾。各種高性能光吸收材料，可以使得光學儀器內(nèi)部做到完全無反光。

因此，照相機、望遠鏡等光學儀器內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要全部涂成不反光的黑色，才能獲得高清晰的圖像。紅外成像、紫外成像則可以獲得被觀察物體的更多信息，在**上用途很廣，光學追蹤光學偵查等都需要開發(fā)全波段范圍的高性能光吸收材料。

提高光吸收材料的吸收率，對于太陽能的高效利用也十分重要：冬天陽光下穿上深色的高吸光率的衣服可以身體更加溫暖。太陽發(fā)出的光波能量主要集中在0.2～2.5μm波長范圍。拓寬光吸收波段，提高光吸收率，有利于更加高效轉(zhuǎn)化更多的太陽能。

光波投射到物體表面時，會發(fā)生吸收、反射和透射現(xiàn)象，物體吸收的光波能量和投射到其上的光波總能量之比稱為該物體的光吸收率（α=I吸收/I入射），針對不同波長光線物體具有不同光吸收率。

那么，物質(zhì)是如何吸收光線的呢？

從固體物理的角度，固體材料可以通過如下幾種模式吸收光線：禁帶躍遷吸收，激子吸收，自由載流子吸收，雜質(zhì)和缺陷吸收等。

每一種材料針對不同波長的光線都有本征的光吸收系數(shù)。

大多數(shù)物體都不可能達到完全的光吸收，通過改變表面形貌以及組織結(jié)構(gòu)、材料的幾何形狀可以提高材料的吸光率。比如，通過控制材料表面的劈尖結(jié)構(gòu)以及增加有利于光波多次反射的界面結(jié)構(gòu)均可以提高光吸收率。但由于這種結(jié)構(gòu)控制在尺度上需要與光波波長相匹配，因此，通過材料結(jié)構(gòu)的控制提高光吸收性能給材料科學家?guī)硖魬?zhàn)。

黑色天鵝絨，就是一種既利用材料本征光吸收性能又利用結(jié)構(gòu)的高性能光吸收材料。2014年英國 SurreyNanoSystems 公司開發(fā)的 VantablackS-VIS 材料由碳納米管構(gòu)成，其光吸收率可以高達99.8%。一些黑色涂料光吸收率也可以達到97%以上。

但這些材料有一個共通的問題，就是多為有機材料，結(jié)構(gòu)比較脆弱，對環(huán)境和使用條件敏感，風不能吹手不能碰，而且失效后會產(chǎn)生剝離，導致光吸收性能下降，同時還會污染儀器設備。因此，開發(fā)各種環(huán)境下具有高穩(wěn)定性的光吸收涂層具有較大的應用意義。

陶瓷的力學化學性能相對穩(wěn)定，在物體表面沉積具有光吸收性能的陶瓷薄膜是常用的一種方法。通常來說，光吸收陶瓷薄膜的光吸收波長范圍較窄，光吸收率也不高。日前，中科院寧波材料所表面防護課題組開發(fā)出一種超黑高穩(wěn)定性寬頻譜光吸收涂層技術。

TiAlN涂層(a)PVD成膜示意圖，(b)涂層斷面結(jié)構(gòu)，(c)涂層剖面結(jié)構(gòu)，(d)(e)涂層表面形貌，(f)在銅片表面的涂層，(g)PET柔性基底表面的涂層

該技術采用反應磁控濺射方法在金屬、半導體、陶瓷、玻璃、高分子等基材表面制備的超黑TiAlN涂層。涂層具有精巧的納米柱狀結(jié)構(gòu)，柱狀晶直徑約為50nm，晶界寬度約17nm，光線在柱狀晶之間多次反射提高吸收率；納米柱表面為錐形劈尖結(jié)構(gòu)，可以有效地捕獲引導入射光進入柱狀晶界面；底層為層狀結(jié)構(gòu)，有利于提高其在各種基體材料上的附著力。

經(jīng)測試，在200nm~2500nm寬頻譜范圍內(nèi)具有三棱錐頂部的納米柱狀結(jié)構(gòu)的TiAlN膜的光吸收率為0.89。在納米柱狀晶TiAlN黑膜頂層制備一層SiO2減反射涂層，可進一步提高吸收率至0.92。采用多層Cu/TiAlN/TiAlON/TiO2-SiO2的黑膜-減反膜串聯(lián)結(jié)構(gòu)，光吸收率可提高到0.95以上。

在可見光范圍內(nèi)，這種光吸收涂層的光吸收率能達到97%！

超黑高穩(wěn)定性寬頻譜光吸收薄膜的光吸收原理

該光吸收膜在350℃~550℃溫度下仍具有較高的穩(wěn)定性，基底材料適用范圍包括金屬、半導體、陶瓷、高分子等大多數(shù)常見材料。附著了這種光吸收膜的材料，可用在照相機、望遠鏡等光學儀器內(nèi)部吸收干擾光線，拍出的照片、看到的圖像會更加清晰。

未來，這種涂層技術還能應用于哪些領域，可能就需要我們繼續(xù)探索了。

該技術已經(jīng)申報發(fā)明**CN201210063873.8，DD180138I。

(a)寬頻譜涂層光吸收譜，(b)Cu/TiAlN涂層拉曼發(fā)射譜