中国科学院化学所赵宁研究员/徐坚研究员课题组：基于碳囊泡结构的可涂覆超黑材料

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如果入射于物体表面的所有光线都被吸收，那么该物体会呈现绝对的黑色，此时物体具有的立体结构无法被人眼观测，出现类似黑洞的特性。能够实现这种效果的材料被称为超黑材料（Ultrablack Materials）。一般而言，超黑材料的光吸收率可达到99.5%以上，相比于传统吸光涂层有着数量级的优势，因此在高精密光学仪器（如航天望远镜、光刻机）、太阳能光热转化材料、高性能黑体辐射源和红外隐身等方面有着广阔的应用前景。

超黑材料的特性主要源于其特殊的纳米结构。目前报导的吸光性能最强的超黑材料是垂直碳纳米管阵列结构，其半球反射率仅为0.045%。然而，这种结构制备过程过于复杂，使用方式存在局限，难以大规模应用。

中国科学院化学所赵宁研究员/徐坚研究员课题组在材料反射机理研究的基础上，设计了基于碳囊泡结构的超黑材料。该团队在模板法制备过程中，通过引入正硅酸乙酯（TEOS）与酚醛树脂（RF）进行共缩聚，经碳化、刻蚀后形成了碳囊泡结构（图1）。

图1. 碳囊泡结构：（a）制备过程示意图；（b）TEM照片；（c）碳囊泡所用SiO2模板反结构的TEM照片；（d）SEM照片。

这种无序结构的引入打破了中空碳球本身的球对称结构，消除了光在微颗粒内部因干涉而产生的反射峰，得到了具有宽谱光吸收能力的可涂覆超黑材料。随着TEOS用量的增加，碳囊泡结构内外壁距离增大，外壁变薄（图2a），这导致其表观密度和散射体尺寸（外壁厚度）减小，反射率逐渐降低，涂层半球反射率最低可达0.10%（图2b）。而且，囊泡结构中无序度的增加也导致了反射峰的消失。这种材料所成涂层具有较好的朗伯特性，且在紫外、可见和近红外区较宽范围内都保持着较高的吸光性能，其入射角依赖反射率对波长无选择性（图2c），吸光能力仅次于垂直碳纳米管阵列，是目前综合性能最好的可喷涂超黑涂层材料。此外，优异的紫外光吸收能力也使其有望被用于紫外光刻机中杂散光的消除。

图2. （a）碳囊泡结构随TEOS加入量的增加形貌发生变化；（b）不同TEOS用量条件下，碳囊泡结构的半球光谱反射率；（c）不同波长条件下，碳囊泡结构反射率随入射角的变化情况。

第一作者为郭靖博士的这一研究成果，日前发表在国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201909877

DOI：10.1002/adfm.201909877

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