基于硫废料制造的高灵敏度红外偏振器

通过使用选择性反射横向电场(TE)并传输非偏振入射光的横向磁场(TM)场的偏振器，偏振图像可以提供诸如阴影和表面形态等信息。然而，当前的IR偏振器主要基于昂贵且易碎的陶瓷(例如半导体和硫族化物)，纳米光栅通常通过耗时且耗费成本的干涉光刻法制造。

最近，由于其在红外区域的固有高透射率，通过“逆硫化”合成的富硫聚合物作为红外光学器件的合适候选物受到了广泛关注。富含硫的聚合物主要由元素硫基主链组成。值得注意的是，每年有700万吨硫磺作为石油精炼过程的剩余物产生。因此，这种富含硫的聚合物可以大量生产，具有很高的经济可行性。

与传统的IR材料不同，富含硫的聚合物可以溶解在有机溶剂中，这意味着可以应用以溶液为基础的工艺，如旋涂。此外，粘弹性和动态共价二硫键允许富含硫的聚合物通过以热纳米压印光刻(热NIL)为代表的热加工成型为不同的纳米结构。

作为富硫聚合物基偏光片结构，双层结构是可行的，可以通过以下3步获得;(1)旋涂富硫聚合物溶液，(2)热NIL到旋涂的富硫聚合物基薄膜上，以及(3)纳米光栅上的金属沉积。基于富硫聚合物的偏振器由自对准双层金属光栅(上下金层)和间隔层(用作光学腔)组成。

对于高灵敏度偏振器，需要在宽带IR区域同时具有高TM透射率和消光比(ER;TM透射率与TE透射率之比)。在热NIL期间，由于高表面积与体积比导致的高表面张力，使用粘弹性富硫聚合物很难复制纳米级母模的高质量纳米光栅母模。

低质量的热NIL会导致具有圆形和波浪形光栅的低保真纳米光栅，导致金属沉积后上下金属层的连接和偏振器灵敏度恶化。此外，在不调整用作光学腔的间隔物厚度的情况下，很难通过满足最大TM传输的Febry-Pérot共振指示条件来最大化偏振器灵敏度。当入射光通过双层结构偏振片时，在光学腔的作用下在间隔层中发生多次反射。Febry-Pérot共振是反射光同相并产生相长干涉的条件。

在汉阳大学有机与纳米工程系副教授JeongJae(JJ)Wie的带领下，研究人员终于实现了一种高灵敏度的富硫聚合物偏光片。为此，研究团队微调了热NIL条件，以高质量复制设计的纳米光栅，并研究了间隔层厚度，以最大限度地提高所有MWIR区域的TM传输。

发表在《先进材料》上的研究团队成功展示了一种基于光学性能和制造难度的数值模拟设计的间距为400nm的富硫聚合物基红外偏振片。通过系统研究包括温度、压力和时间在内的热NIL条件，在1×1cm2的面积上获得了高保真一维纳米光栅，同时考虑了Stefan挤压流方程和富硫聚合物的热行为，如玻璃化转变和热降解。

作为该领域前所未有的里程碑，富硫聚合物间隔层的厚度可在40nm至5,100nm的宽范围内调节，作为富硫聚合物溶液浓度的函数。因此，基于富硫聚合物的偏振器的光学性能对应于0.65、0.59和0.43的TM透射率以及3.12×103、5.19×103和5.81×103的ER在4μm的间隔物厚度分别为90、338和572nm。特别是，在MWIR的ER为5.81×103是已报道的富硫聚合物的世界纪录-基偏光器(比先前报道的聚合物硫基偏光器高19.1倍)。