柔性超黑材料工程：从硅模具到聚合物铸造的全角度低反射解决方案

现有超黑材料在规模化生产、表面耐久性和材料贴合性等方面存在局限。为此，研究人员开发结合硅模具制造与聚合物浇铸的工程平台，制得柔性超黑材料，其反射率低、角度依赖性弱且机械性能佳，为相关领域提供新途径。

　　在光学领域，低反射材料如同隐形的 “光捕手”，在吸收杂散光、干扰物体光学识别以及作为低反射标准等方面扮演着关键角色。理想的超黑材料需在可见光范围内（λ~380–700 nm）实现全角度的低总反射率（R_Tot＜0.4%）和朗伯反射（Lambertian reflection，即光各向同性反射），以避免镜面反射带来的眩光问题。然而，现有超黑材料却因成本高昂的规模化制造难题、脆弱的表面耐久性以及有限的材料贴合性，被困在实验室的 “象牙塔” 中，难以在实际场景中大展拳脚。例如，商用的 Spectralon 虽接近完美朗伯低反射（R_Tot~1%），但其高价限制了大规模应用；垂直排列碳纳米管（VACNT）和黑硅（Black Si）虽反射率低（R_Tot＜0.1% 至～0.2%），但纳米级垂直结构使其极易受损；即便近年出现的高能重离子径迹蚀刻技术制备的 “超级黑” 材料，也因模具制备依赖昂贵设备且存在强后向反射，难以推广。

为突破这些瓶颈，美国圣母大学（University of Notre Dame）的研究团队在《Nature Communications》上发表论文，提出了一种基于传统硅制造工具与聚合物浇铸技术的柔性超黑材料工程平台。该研究通过设计可重复的硅模具和均匀的聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇铸工艺，成功制备出兼具低反射率、宽角度适应性和机械鲁棒性的柔性超黑材料，为超黑材料的实际应用开辟了新道路。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：

• 硅模具制备：利用光刻技术定义掩模，通过深反应离子蚀刻（DRIE）形成高纵横比的六边形紧密排列锥体模具，结合氧化和蚀刻工艺优化模具几何结构，如减小顶部表面积、控制侧壁粗糙度等。
• PDMS 聚合物浇铸：将 PDMS 与 1% nigrosine 混合后滴铸到硅模具上，经固化、脱模和紫外臭氧处理，形成具有微腔结构的柔性超黑材料，模具可重复使用以实现规模化生产。
• 反射率表征：综合运用侧端口 R_Tot积分球测量、中心安装角度相关 R_Tot积分球测量和二维双向反射分布函数（2D-BRDF）测量等多种技术，全面评估材料在不同角度和波长下的反射特性。

反射率与微腔设计

传统的 Phong 模型难以准确描述超黑材料的反射特性，因其反射主要发生在非镜面角度。研究团队建立了一种现象学模型，将材料几何结构与反射光分量关联。关键几何参数包括微腔入口斜率（S_E）、腔体斜率（S_B）、侧壁光滑度、底部和顶部表面积等。设计策略是利用 PDMS 微腔内的多次损耗反射来最小化 R_Tot，例如光滑侧壁和大 S_B可使光深入微腔，增加损耗反射；减小顶部表面积可降低所有入射角的反射，而增大 S_E则减少掠射角照明下的后向反射。

微腔模具与微腔制造

通过光刻和 DRIE 等工艺，成功制备了 4 英寸晶圆级硅模具，其图案在整个晶圆上高度均匀且可重复。以 H15G1（六边形直径 H=15μm，间隙 G=1μm）模具为例，浇铸的 PDMS 微腔入口斜率约 4°，纵横比＞13，远超现有文献报道的≥4 或＞5 的水平。多次浇铸实验表明，模具在重复使用后仍保持光学性能稳定，PDMS 残留在多次浇铸后无明显残留，验证了该工艺的可扩展性和模具耐久性。

反射率表征

光谱分辨积分球测量显示，随着间隙 G 减小（从 4μm 到 1μm），总反射率单调降低，H15G1 样品在 450nm 处最低反射率达 0.15%，低于黑硅。角度相关积分球测量表明，即使在 75° 大入射角下，反射率仅为近法线入射时的 5-11 倍，远优于文献中报道的约 100 倍增加，这得益于微腔入口更高的纵横比。2D-BRDF 测量显示，当入射角 θ_{ir范围内均保持超黑特性（RTot＜0.4%），且在非定向照明下表现出接近朗伯反射的特性。}

超黑材料应用与鲁棒性测试

通过镊子刮擦、水浸、超声处理等测试验证了材料的机械鲁棒性。标准微腔样品可承受＞600kPa 的法向载荷而反射率无明显变化，经工艺优化的 R-H15G1 样品甚至能承受 900kPa 的镊子刮擦和砂纸磨损，反射率仅略有增加。接触角测量显示样品表面平均接触角达 138°，具有疏水性，有助于长期性能保持。此外，将材料弯曲覆盖三维物体（如杯子）时，可有效掩盖其几何形状，展示了其在全角度低反射和光学隐身中的应用潜力。

研究结论表明，该工程平台通过硅模具与 PDMS 浇铸技术的结合，成功解决了超黑材料在规模化生产、机械鲁棒性和角度适应性方面的关键挑战。所制备的柔性超黑材料不仅实现了可见光范围内的低反射率（最低 0.15%）和类朗伯反射特性，还通过几何结构设计提升了机械强度和疏水性。尽管与现有文献中最低反射率（~0.02%）仍有差距，且光谱范围限于可见光，但该平台的可定制性为未来通过引入染料或背层优化性能提供了可能。从应用前景看，其在光学仪器杂散光控制、物体光学隐身、柔性电子设备等领域具有广阔潜力，为超黑材料从实验室走向实际应用奠定了坚实基础。