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極黑材料的問世與應用

早期的黑色塗層材料大多應用在熱感測器上,在熱感測器表面鍍上一層黑色塗層後,可以幫助熱感測器提高對輻射熱的吸收效率,由於黑色塗層吸收輻射後會將其轉化為熱,因此可以增加熱感測器的響應(responsivity)。然而,添加這層塗層也會對熱感測器造成負面影響,當黑色塗層有較高的熱容時,所吸收的光能就會被這些熱容浪費掉,因此有些輸入能量即使被黑色塗層吸收,轉化出來的熱能也不會表現在感測器的輸出上
 
 
 
早期的黑色塗層材料大多應用在熱感測器上,在熱感測器表面鍍上一層黑色塗層後,可以幫助熱感測器提高對輻射熱的吸收效率,由於黑色塗層吸收輻射後會將其轉化為熱,因此可以增加熱感測器的響應(responsivity)。然而,添加這層塗層也會對熱感測器造成負面影響,當黑色塗層有較高的熱容時,所吸收的光能就會被這些熱容浪費掉,因此有些輸入能量即使被黑色塗層吸收,轉化出來的熱能也不會表現在感測器的輸出上。換句話說,我們希望轉化出來的熱能,必須「穿過」黑色塗層,在盡量不被消耗的情況下,成功到達能量轉換區,因此,商業應用上的黑色塗層,除了要有高的光吸收率,還須具備優良的熱傳導係數。

有很多方式可以用來產生這樣的塗層,如塗裝(加式加工)或是蝕刻(減式加工)等。其中一種方式,可以達到高吸收率、低熱容、高熱傳導係數等性質,適合用來當熱感測器的黑塗層,就是由多塗層垂直排列的奈米碳管(Multi Walled Carbon Nanotube,簡稱MWCNT)。

奈米碳管黑體(Vantablack)是一種由奈米碳管製造,而且是目前已知最黑的物質,吸收最高達99.965%的可見光波段電磁輻射,而奈米碳管黑體的英文名稱Vantablack中,其「Vanta」字首是由「Vertically Aligned Nano-Tube Arrays」的字首縮寫排列而成,此物質由多塗層垂直排列的奈米碳管(MWCNT)所組成,當光線入射奈米碳管黑體時幾乎不會反射出去,而是會侷限於管壁之中不斷偏折,直到最後轉換成熱能為止。

一般的MWCNT是透過噴覆的方式來進行,而Vantablack的製造則是利用「電漿強化化學氣相沉積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,簡稱PECVD)」的方式進行,意即在真空環境下,透過高電壓或高電流,將惰性氣體解離至電漿態,並通入化學氣體,使之產生化學反應或化學分解,將可以在工件上產生一層薄膜。Vantablack產品是用PECVD,先在矽晶片表面分別鍍上300 nm厚的鉻與25 nm厚的鎳,再鍍上MWCNT,完成後的鍍層,再移到想要披覆的工件上,利用氧化鋁膏當作黏合劑,因為氧化鋁具有良好的結合性質和足夠的熱導率。PECVD是一種製程,MWCNT是PECVD製程中的一種組織排列方式(有很多種組織排列方式,且MWCNT不一定要用PECVD製作),而Vantablack是科學家為了將此種黑體定義下所產生的新字。Vantablack是MWCNT組織(而且是垂直排列),且使用PECVD製作。

早期的 Vantablack 材料,可以吸收 99.965 % 的光線,所以就算表面並不平滑,但仍然做到接近完全黑色,沒有反光的效果。目前第二代Vantablack物料的吸光能力,,在700 nm的光譜(可見光上限)反射率為0.036%;像是黑洞一樣,看過去只會是完全的黑暗。在示範影片中,就算用雷射筆照射過去,也仍然沒有任何的光線反射出來。

極黑材料物質有許多潛在的應用,不但包括防止雜散光進入望遠鏡、改善太空照相機的表現、熱感測器的量測精度,同時也增加了聚光太陽能熱發電的熱吸收率,以及軍事應用裡的熱迷彩等等,期望未來,我們可以在這些潛在應用上,看到極黑材料的身影。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播:遇見無所不在的生活科學」執行團隊撰稿)

責任編輯:張尹貞
審校:張惠博
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