一種可見(jiàn)-近紅外波段的超寬帶吸收器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雜散光消除、空間探測(cè)、成像、光熱轉(zhuǎn)換及電磁吸收等領(lǐng)域，具體涉及一種可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器。
【背景技術(shù)】
[0002]由于可見(jiàn)一紅外寬波段吸收器可以在諸多不同的新領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，因而近些年可見(jiàn)一紅外寬波段吸收器獲得了廣泛研究，從而使得越來(lái)越寬波段的吸收器被制備出。近年來(lái)，研究人員提出了各種電磁波人工電磁結(jié)構(gòu)的近紅外吸收器。其中，Chen等利用液滴蒸發(fā)的方法在鍍有介質(zhì)層的金屬基底上形成隨機(jī)排列的金納米棒，實(shí)現(xiàn)近紅外900nm—1600nm 波段的高吸收(Near-1nfrared broadband absorber with film-coupledmultilayer nanorods, Optics Lett.38，2247-2249 (2013)) ;Zhou 等利用側(cè)向沉積的特點(diǎn)制備出多層的交替介質(zhì)/金屬的錐形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)近紅外寬波段的較高吸收(Experimentand Theory of the Broadband Absorpt1n by a Tapered Hyperbolic MetamaterialArray, ACS Photonics 1，618-624 (2014)) ;Ji等提出了一種在銀反射鏡表面交替堆積金屬顆粒和氧化娃薄膜的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)300nm—IlOOnm波段平均96%以上的高吸收(Plasmonic broadband absorber by stacking multiple metallic nanoparticlelayers, App1.Phys.Lett.106, 161107 (2015))。
[0003]但是上述方法制備過(guò)程較為復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，制備成本高，不利于大面積量化生產(chǎn)。
[0004]目前相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道主要有:
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?01510163240.8的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種基于級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)超材料的超寬帶吸收器，該吸收器由9個(gè)介質(zhì)層，9個(gè)金屬層組成，第I?3介質(zhì)層和金屬層為直徑相同的圓柱，第4?6介質(zhì)層和金屬層為直徑相同的圓柱，第7?9介質(zhì)層和金屬層為直徑相同的圓柱，該吸收器整體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且對(duì)入射角度要求較高。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01410020841.9的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種基于可見(jiàn)到近紅外波段吸收膜系結(jié)構(gòu)，其在任意襯底上采用氣相沉積、液相沉積依次生長(zhǎng)金屬薄膜層、介質(zhì)薄膜層，其中金屬薄膜層厚度為80nm-l μ m，介質(zhì)薄膜層厚度為lnm-200nm，金屬顆粒無(wú)序分布層中等效薄膜層平均高度為5nm-100nm，顆粒平均尺寸為10nm-200nm，金屬顆粒表面覆蓋率為3% -90%。結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但是其吸收率不好。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮?01110410712.7的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種太陽(yáng)能選擇性吸收涂層，該涂層由雙層或三層結(jié)構(gòu)組成:第一層為拋光后的不銹鋼基底，第二層為Cul.5Mnl.504復(fù)合氧化物吸收層，第三層由Ti02薄膜構(gòu)成減反層，自下而上排列。該涂層的吸收率均低于0.9，且制備工藝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種可見(jiàn)-近紅外波段的超寬帶吸收器，該吸收器所能覆蓋的吸收波段更寬，吸收性能更好，還具有較好的入射角度不敏感性。
[0009]本發(fā)明同時(shí)提供了一種可見(jiàn)-近紅外波段的超寬帶吸收器的制備方法，該方方法制備方便，成本低，便于大規(guī)模、批量化生產(chǎn)。
[0010]一種可見(jiàn)-近紅外波段的超寬帶吸收器，包括基底，所述基底上依次設(shè)有金屬吸收層、鍺層以及三層寬波段減反膜層；所述三層寬波段減反膜層分別包括依次設(shè)置在鍺層上的底層、中間層和最外層，底層、中間層和最外層的折射率逐漸減小。
[0011]下面為基于上述方案的優(yōu)選的方案:
[0012]基底材料沒(méi)有限制，作為優(yōu)選，所述基底可以選擇K9，熔融石英，浮法玻璃等玻璃材料，也可以選擇娃，砷化鎵等半導(dǎo)體材料。進(jìn)一步優(yōu)選為娃片。
[0013]作為優(yōu)選，所述金屬吸收層可以選擇鉻、鈦、銥、鎢、鎳以及上述材料的合金；作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述金屬吸收層可以選擇鉻。所述金屬吸收層的厚度應(yīng)大于10nm ;進(jìn)一步優(yōu)選為100-500nm ;跟進(jìn)一步優(yōu)選為150_300nm。
[0014]作為優(yōu)選，所述鍺層為1nm—40nm ；
[0015]作為優(yōu)選，三層寬波段減反膜層由下至上材料折射率逐漸減小，靠近鍺層的底層薄膜材料選擇娃，厚度為1nm — 40nm，進(jìn)一步優(yōu)選的厚度為15nm — 35nm ;所述中間層薄膜材料可以選擇二氧化鈦、氧化給、氧化鉭、氮化娃等高折射率介質(zhì)材料，厚度為30nm — 80nm，進(jìn)一步優(yōu)選的厚度為35nm — 60nm ;所述最外層薄膜材料可以選擇氟化鎂、二氧化娃、氟化?乙等低折射率介質(zhì)材料，厚度為70nm — 130nm，進(jìn)一步優(yōu)選的厚度為80nm — 120m。本發(fā)明三層寬波段減反膜層由下至上優(yōu)選為硅、二氧化鈦、氟化鎂。
[0016]本發(fā)明同時(shí)還提供了一種可見(jiàn)-近紅外波段的超寬帶吸收器的制備方法，包括如下步驟:
[0017](I)根據(jù)所要求的吸收器帶寬要求和吸收率要求，通過(guò)優(yōu)化各層薄膜的厚度，設(shè)計(jì)出符合要求的膜系；該步驟可采用現(xiàn)有的軟件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化操作；
[0018](2)將基底放入丙酮溶液中超聲，接著用乙醇清洗基底；然后將基底放入乙醇溶液中超聲，接著用去離子水清洗基底；最后將基底放入去離子水中超聲，接著用去離子水再次清洗基底；
[0019](3)采用真空鍍膜依次沉積各膜層，得到可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器。
[0020]作為優(yōu)選，步驟(2)中，每次超聲的時(shí)間一般為5-30min ;進(jìn)一步優(yōu)選為5_10min。
[0021]本發(fā)明的可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器，相比于傳統(tǒng)的吸收器，它所能覆蓋的吸收波段更寬，吸收性能更好，還具有較好的入射角度不敏感性。因此本發(fā)明的可見(jiàn)一近紅外波段的超寬波段吸收性能上完全超越了傳統(tǒng)的吸收器。由于本發(fā)明的可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器結(jié)構(gòu)是緊湊的多層薄膜結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)的寬帶吸收器以及近些年提出的人工電磁吸收器，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。正由于其緊湊的多層薄膜結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器避免了復(fù)雜的納米加工技術(shù)，例如電子束加工技術(shù)、聚焦離子束刻蝕技術(shù)、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、光刻技術(shù)等等，從而使得生產(chǎn)成本顯著下降，生產(chǎn)周期顯著縮短，從而便于大規(guī)模、批量化生產(chǎn)。
[0022]本發(fā)明基于金屬吸收層的阻擋入射作用結(jié)合鍺層的寬波段減反膜層，從而構(gòu)建了寬波段的無(wú)透射的減反結(jié)構(gòu)，因而實(shí)現(xiàn)了高效率、角度不敏感的可見(jiàn)一近紅外波段超寬帶吸收。本發(fā)明的可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備方便，成本低，適于大面積批量化地生產(chǎn)，從而使得可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器的制備成本大大降低。因此該發(fā)明有望在光熱轉(zhuǎn)換、電磁吸收、探測(cè)以及成像等方面廣泛應(yīng)用，為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展、科學(xué)技術(shù)和國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域作出貢獻(xiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器的制備流程圖；
[0025]圖3為本發(fā)明可見(jiàn)一近紅外波段的超寬帶吸收器的超寬帶吸收機(jī)理分析圖；
[0026]圖4為不同吸收帶寬要求和吸收率要求的樣品的吸收光譜圖:
[0027]圖4 (a)為實(shí)施例1制備的吸收器樣品的吸收光譜，400nm — 1200nm波段，平均吸收率98.75%以上；
[0028]圖4 (b)為實(shí)施例2制備的吸收器樣品的吸收光譜，400nm — 2000nm波段，平均吸收率97.75%以上;
[0029]圖4 (c)為實(shí)施例3制備的吸收器樣品的吸收光譜，400nm — 1200nm波段，平均吸收率99%以上；
[0030]圖4 (d)為實(shí)施例4制備的吸收器樣品的吸收光譜，400nm — 2000nm波段，平均吸收率96.2%以上；
[0031]圖4(e)為實(shí)施例5制備的吸收器樣品的吸收光譜，4