本發(fā)明屬于高效電磁波吸收體領(lǐng)域，具體是一種柔性廣角寬譜高效吸收體及其制備方法。

背景技術(shù)：

電磁波吸收體（吸收體）在太陽能電池、軍事雷達(dá)隱身、紅外探測、以及熱輻射儀等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。窄帶吸收體可用于選擇性熱輻射器和生物傳感等領(lǐng)域，而在太陽能捕獲、海水淡化及軍事隱身等領(lǐng)域，則需要吸收體能在寬譜范圍內(nèi)有很好的吸波性能。目前，人們已設(shè)計并制備出了很多寬帶吸收體，然而很多寬帶吸收體的制備依賴昂貴的制作工藝，如電子束光刻、聚焦離子束刻蝕等，不易大面積制備且十分耗時。因此，基于簡單工藝制備的寬帶吸收體極具發(fā)展?jié)摿?。圖案化襯底由于可以增加光程及激發(fā)各種光學(xué)模式在太陽能電池中用作底部反射層和表面減反層，可以達(dá)到增加光吸收的效果。如果將吸收體制備在圖案化襯底上將會達(dá)到更優(yōu)的吸波效果。另外，如果寬帶吸收體能夠制備在柔性襯底上，將會使吸收體應(yīng)用于光伏建筑一體化、便攜式電源等領(lǐng)域?；诖?，本發(fā)明提出一種簡單經(jīng)濟的方法在圖案化襯底上制備了柔性寬譜高效吸收體。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：如何利用簡單經(jīng)濟的方法制備出柔性廣角寬譜高效吸收體。

本發(fā)明所采用的的技術(shù)方案是：一種柔性的廣角寬譜高效吸收體，柔性聚合物制作的襯底的上表面上均勻分布有周期性排列的類似飛蛾眼睛上微納凸起的結(jié)構(gòu)即蛾眼結(jié)構(gòu)，蛾眼結(jié)構(gòu)從頂點到底部的高度為210-230nm，相鄰蛾眼結(jié)構(gòu)之間的距離為390-410nm，蛾眼結(jié)構(gòu)上依次沉積有金屬反射層、介質(zhì)層、金屬納米顆粒層，金屬反射層的金屬為反射率高的金屬，金屬納米顆粒層的金屬為貴金屬。

作為一種優(yōu)選方式：柔性聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、乙烯-四氟乙烯共聚物中的一種。

作為一種優(yōu)選方式：金屬反射層的金屬為au、ag或al等，金屬納米顆粒層的金屬為ag或者au，金屬反射層的厚度為300nm，介質(zhì)層為sio2、al2o3、moo3中的一種，介質(zhì)層的厚度為96nm，金屬納米顆粒層的名義厚度為5.4nm，金屬納米顆粒層為未形成納米薄膜的納米顆粒層，金屬納米顆粒的粒徑為8-9nm，名義厚度是沉積速率乘以沉積時間所計算的厚度。

一種制作柔性廣角寬譜高效吸收體的方法，按照如下步驟進(jìn)行

步驟一、襯底的制備，以帶周期性排列的豎直方向過中心線的截面為u型的孔的多孔氧化鋁u-aao作為模板，首先用全氟辛基三氯硅烷在150℃溫度下對模板打帶孔面進(jìn)行抗粘處理兩個小時，然后在旋涂機中，將柔性聚合物旋涂于u-aao抗粘處理面上，然后水平放置于60℃烘箱中固化半小時，然后將柔性聚合物澆注于涂有柔性聚合物的表面上，放置于水平位置處靜置15分鐘后，水平置于60℃烘箱中固化三個小時，將固化好的柔性聚合物從模板上揭取下來，形成襯底；

步驟二、沉積金屬層、介質(zhì)層、金屬納米顆粒層，在襯底依次濺射金屬層、介質(zhì)層、金屬納米顆粒層。

作為一種優(yōu)選方式：濺射在常溫下真空度為5.0×10^-4pa下進(jìn)行。

作為一種優(yōu)選方式：金屬層和金屬納米顆粒層的濺射速率為0.12nm/s，介質(zhì)層的濺射速率為0.038nm/s。

作為一種優(yōu)選方式：柔性聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、乙烯-四氟乙烯共聚物中的一種。

作為一種優(yōu)選方式：金屬反射層的金屬為au、ag、al等，金屬納米顆粒層的金屬為ag或者au，金屬反射層的厚度為300nm，介質(zhì)層為sio2、al2o3、moo3中的一種，金屬層的厚度為300nm，介質(zhì)層的厚度為96nm，金屬納米顆粒的粒徑為8-9nm，金屬納米顆粒層的名義厚度為5.4nm。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明在柔性襯底上制備出圖案化蛾眼納米結(jié)構(gòu)，在此襯底上，利用磁控濺射系統(tǒng)制備出金屬-介質(zhì)-金屬納米高吸收薄膜。本發(fā)明設(shè)計的吸收體在350-1000nm的入射波長范圍內(nèi)總的吸收效率為95.8%。此外，吸收體的吸收性能隨入射角度變化不大，在入射角為60⁰時總吸收效率仍接近90%，具有廣角的吸收性能。我們制備的吸收體還具有良好的柔韌性，在經(jīng)過10000次120度彎曲過后，器件的吸收性能仍為原來的98.7%。由此可見，本發(fā)明的柔性廣角寬譜高效吸收體在光伏建筑一體化、便攜式電源等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。

附圖說明：

圖1是柔性蛾眼襯底上制備高效吸收體的流程圖：（a）u型孔aao模板；（b）pdms從aao模板上剝離；（c）具有蛾眼結(jié)構(gòu)的pdms柔性襯底；（d）在圖案化pdms襯底上沉積底層ag反射層和sio2介質(zhì)層；（e）繼續(xù)沉積頂層ag納米顆粒層后的高效吸收體。

圖2：（a）柔性蛾眼襯底的掃描電子顯微鏡（sem）照片；（b）沉積300nmag反射層后的sem照片；繼續(xù)沉積sio2介質(zhì)層和ag納米顆粒層后吸收體的（c）俯視sem照片，（d）截面sem照片。

圖3：（a）高效吸收體的吸收光譜，插圖為吸收體的照片；（b）總吸收效率隨彎曲次數(shù)的變化圖，插圖為柔性測試裝置。

圖4：不同入射角度下總吸收效率隨入射角度的變化的吸收光譜。

具體實施方式

本發(fā)明所使用的材料有：周期為400nm，深度為300nm的u-aao、乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷三甲基硅氧封端共聚物（7-8wt%乙烯基甲基硅氧烷，粘度800-1200cst）（gel-vdt-731）、（25-35wt%甲基氫硅氧烷）-二甲基硅氧烷共聚物；粘度25-35cst（gel-hms-301）、四甲基四乙烯基環(huán)四硅氧烷（減緩劑）、鉑(0)-1,3-二乙烯-1,1,3,3，-四甲基二硅氧烷（鉑催化劑）、1h,1h,2h,2h-全氟辛基三氯硅烷、聚二甲基硅氧烷（pdms）、銀（99.99%；ag）、二氧化硅（99.99%；sio2）、氬氣、氮氣、乙醇。其組合用量如下：

gel-vdt-731：1±0.1g

減緩劑：14.7±0.02μl

鉑催化劑：5.3±0.01μl

gel-hms-301：0.29±0.01g

pdms：8g

u-aao：一片

本發(fā)明中柔性圖案化蛾眼襯底的制備，是在抗粘處理過后的u-aao先旋涂一層高楊氏模量的pdms（h-pdms），其厚度為5μm，60℃恒溫箱中固化一段時間后澆筑一層pdms，其厚度為1.5mm，靜置使pdms液體流平后，60℃恒溫箱中固化并從模板上脫離，完成柔性圖案化蛾眼襯底的制備工藝，隨后，利用磁控濺射系統(tǒng)在柔性圖案化襯底上堆疊不同厚度的納米金屬-介質(zhì)-金屬層。其中，納米薄膜的厚度通過一定濺射功率下的濺射時間調(diào)控的。

具體制備方法如下：

（1）精選化學(xué)物質(zhì)

對制備所需要的化學(xué)物質(zhì)材料要進(jìn)行精選，并進(jìn)行質(zhì)量、純度、濃度、精度控制：

gel-vdt-731：膠狀液體，7-8%乙烯基甲基硅氧烷，粘度800-1200cst

減緩劑：液態(tài)液體

鉑催化劑：液態(tài)液體

gel-hms-301：液態(tài)液體，25-35%甲基氫硅氧烷，粘度25-35cst

pdms：膠狀液體，聚合單體和固化劑質(zhì)量比為10:1

u-aao：一級

ag：固體片狀，純度99.99%

sio2：固體片狀，純度99.99%

乙醇：液態(tài)液體，純度99.99%

氬氣：99.9%

氮氣：99.9%

（2）模板抗粘處理

取一片干凈的u-aao模板，先放入乙醇溶液中進(jìn)行超聲清洗（10min）并用氮氣吹干，利用等離子體清洗機清洗3分鐘，然后置于加熱臺上的玻璃培養(yǎng)皿中，利用吸管滴入一滴1h,1h,2h,2h-全氟辛基三氯硅烷，150℃加熱兩小時。

（3）復(fù)制圖案化柔性蛾眼襯底

1)制備h-pdms，首先，取一培養(yǎng)皿置于電子秤上，稱量1ggel-vdt-731溶液，利用移液槍分別量取15μl減緩劑和5.3μl的鉑催化劑，將上述三種物質(zhì)混合后攪拌均勻后抽真空15分鐘；其次，待抽完真空，稱取0.3g的gel-hms-301液體，攪拌均勻，抽真空3分鐘。

2)旋涂h-pdms，將抗粘處理過后的u-aao置于旋涂儀上，在其表面均勻滴上h-pdms，轉(zhuǎn)速1500rpm旋涂60s，旋涂結(jié)束后將模板置于60℃烘箱預(yù)烘熱30分鐘。

3)澆筑pdms，首先，分別稱量pdms的聚合單體和固化劑12g和1.2g置于培養(yǎng)皿中混合并攪拌均勻，抽真空10分鐘；其次，裁剪4×4cm²手機膜置于一培養(yǎng)皿中，將預(yù)烘熱后的旋涂有h-pdms的u-aao置于手機膜上，最后，將制備好的pdms澆筑于其表面，常溫在水平位置靜置25分鐘使pdms液體水平置于u-aao上后，置于60℃烘箱中固化三個半小時。

4)模板拆除，固化結(jié)束后從烘箱中取出，用小刀沿u-aao邊緣切開，最后用鑷子將圖案化柔性蛾眼襯底從模板上揭下來。

（4）堆疊金屬-介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)

1)制備底層ag薄膜，不加熱的情況下進(jìn)行，本底真空度設(shè)為5.0×10^-4pa（約7.2×10^-6torr），ag濺射速率為0.12nm/s沉積40分鐘。

2)制備介質(zhì)層sio2薄膜，本底真空度設(shè)為5.0×10-4pa（約7.2×10-6torr），在上述結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，濺射速率為0.038nm/s沉積42分鐘sio2。

3)制備頂層ag納米顆粒薄膜，本底真空度設(shè)為5.0×10^-4pa（約7.2×10^-6torr），濺射速率任為0.12nm/s沉積48秒。

（5）檢測、分析、表征

對制備的柔性廣角寬譜高效吸收體進(jìn)行測試和表征。采用xl-30feg（philips）場發(fā)射掃描電子顯微鏡（fesem）對樣品外貌表征。利用微型光纖光譜儀（maya2000）和積分球（avasphere-30-refl）結(jié)合測定所制備柔性廣角寬譜高效吸收體宏觀反射光譜（r），由于高效吸收體的底層ag納米薄膜足夠厚，所以沒有透射，因此，柔性廣角寬譜高效吸收體吸收光譜（a）可以通過a=1-r來表征。用實驗室自己搭的檢測系統(tǒng)測試柔性廣角寬譜高效吸收體柔性性能。

結(jié)論：從圖案化蛾眼襯底的sem照片（圖2a）可以直觀看到，在柔性襯底上復(fù)制得到了大小基本一致的類似蛾眼的納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了襯底的圖案化。蛾眼結(jié)構(gòu)的平均間距為400nm，平均高度為220nm。圖2b所示的是在圖案化襯底上沉積330nm厚的ag反射層后實驗樣品的sem照片。從圖中可以看出，金屬ag納米薄膜保型的沉積在圖案化柔性蛾眼襯底上，實現(xiàn)了金屬薄膜的圖案化。圖2c和d是柔性廣角寬譜高效吸收體的平面和截面sem照片，從圖中可以看出，一方面，圖案化蛾眼襯底上的高效吸收體的各層薄膜保持了圖案化形貌，達(dá)到實驗預(yù)期的效果。另一方面，高效吸收體的頂層ag納米薄層沒有形成納米薄膜而是顆粒狀存在。圖3a所示的是柔性廣角寬譜高效吸收體的吸收光譜。從圖中可以看出，本發(fā)明柔性廣角寬譜高效吸收體在420nm-1100nm的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了寬譜高效吸收，同時，計算了其太陽光譜（350-1000nm波長范圍）積分的總吸收效率為95.8%。圖3a插圖所示的是柔性廣角寬譜高效吸收體在太陽光照下的照片。從照片可以看出吸收體宏觀上呈現(xiàn)出黑色，并可以任意彎曲，隨著彎曲變化宏觀顯現(xiàn)的顏色不發(fā)生變化。圖3b是高效吸收體的總吸收效率隨彎曲次數(shù)的變化圖，插圖所示拉伸測試所用到的拉伸裝置。將高效吸收體固定在自動控制的光學(xué)平臺上，控制彎曲的最大角度為120度，并從彎曲角度為0度到120度來回循環(huán)彎曲，等彎曲到一定次數(shù)后，進(jìn)行吸收性能的測試。從圖中看出，當(dāng)彎曲次數(shù)為10000次時，器件的吸收性能為原來的98.7%。圖4是柔性廣角寬譜高效吸收體在不同入射角度下的反射光譜。從圖中可以看出，高效吸收體具有對入射角度不敏感的特性。圖4插圖給出高效吸收體在入射波長為350-1000nm的波長范圍內(nèi)的總吸收效率（aint）隨入射角度的變化關(guān)系圖?？梢钥闯?，吸收體總的吸收效率隨入射角度曾加而降低，但是總的變化范圍不大，特別地，在入射角度為60°時，樣品的總吸收效率仍接近89%。即實現(xiàn)了廣角性能。

本發(fā)明與背景技術(shù)比較具有明顯的先進(jìn)性。我們在柔性圖案化襯底上制備了廣角寬譜高效吸收體。一方面，采用了低成本、簡單模板復(fù)制的方法制備了柔性圖案化襯底，模板可以重復(fù)使用，極大降低了制備成本。隨后，利用磁控濺射裝置在柔性襯底上制備吸收體的層狀薄膜。另一方面，在420nm-1100nm的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了寬譜高效吸收，其太陽光譜（350-1000nm波長范圍）積分的總吸收效率為95.8%，入射角度為60°時，總吸收效率仍接近90%實現(xiàn)了廣角寬譜高效吸收性能，同時，通過柔性測試，當(dāng)彎曲次數(shù)為10000次時，器件的吸收性能為原來的98.7%。因此，本發(fā)明在光伏建筑一體化、便攜式電源等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景。