本申請(qǐng)涉及光學(xué)薄膜，具體而言，涉及一種可高效吸收全波段可見(jiàn)光的超薄光學(xué)功能薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、光吸收器件能夠吸收光能并將其轉(zhuǎn)化為其它形式的能量，例如電能，在光電探測(cè)、太陽(yáng)能電池、光學(xué)濾波、大氣環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。若光吸收器件能夠?qū)崿F(xiàn)寬光譜、高效率的光吸收，則可以進(jìn)一步提升能源利用效率、提高設(shè)備性能、節(jié)省資源等等。

2、目前主流的寬波段光吸收結(jié)構(gòu)，主要是由平面多層膜、金屬微納結(jié)構(gòu)組成的，但是這些光吸收結(jié)構(gòu)均存在吸收波段較窄、無(wú)法對(duì)全波段可見(jiàn)光進(jìn)行高效吸收，整體厚度較厚、無(wú)法與其它光學(xué)元器件或設(shè)備進(jìn)行集成的問(wèn)題。

3、因此，需要研發(fā)一種超薄超薄光學(xué)功能薄膜，以對(duì)覆蓋全波段可見(jiàn)光的寬波段光譜進(jìn)行高效吸收。

4、需要說(shuō)明的是，在上述背景技術(shù)部分公開(kāi)的信息僅用于加強(qiáng)對(duì)本申請(qǐng)的背景的理解，因此可以包括不構(gòu)成對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的現(xiàn)有技術(shù)的信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)的目的在于提供一種超薄光學(xué)功能薄膜及其制備方法，進(jìn)而至少在一定程度上克服由于相關(guān)技術(shù)的限制和缺陷而導(dǎo)致的超薄光學(xué)功能薄膜存在吸收波段窄、無(wú)法對(duì)全波段可見(jiàn)光進(jìn)行高效吸收以及無(wú)法與其它光學(xué)元器件或設(shè)備進(jìn)行集成的問(wèn)題。

2、根據(jù)本申請(qǐng)的第一個(gè)方面，提供一種超薄光學(xué)功能薄膜，包括：由下至上依次設(shè)置的反射層、介質(zhì)層和光吸收層；其中，所述光吸收層是由三維拓?fù)浣^緣體材料制備的納米柱陣列，所述納米柱陣列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm；所述超薄光學(xué)功能薄膜的厚度為一百納米級(jí)，用于對(duì)400～1000nm波段的光進(jìn)行高效吸收。

3、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述反射層的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm；所述介質(zhì)層的厚度大于或等于25nm且小于或等于50nm；所述超薄光學(xué)功能薄膜的總厚度大于或等于75nm且小于或等于125nm。

4、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率與所述納米柱陣列的厚度h、納米柱半徑r和納米柱排列周期p滿足以下關(guān)系：

5、當(dāng)0＜r≤p時(shí)，在所述介質(zhì)層的厚度大于或等于25nm且小于或等于35nm、r大于或等于130nm或小于或等于140nm、h大于或等于15nm且小于或等于25nm、p大于或等于300nm且小于或等于320nm的條件下，所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％；

6、當(dāng)時(shí)，所述納米柱陣列轉(zhuǎn)換為納米薄膜。

7、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述納米柱陣列轉(zhuǎn)換為納米薄膜時(shí)，當(dāng)所述介質(zhì)層的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm，并且所述光吸收層的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm時(shí)，所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

8、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述介質(zhì)層和所述光吸收層的厚度是根據(jù)所述超薄光學(xué)功能薄膜在400nm～1000nm波段中的平均光吸收率確定的，所述平均光吸收率是根據(jù)所述波段中各波長(zhǎng)處的光吸收率確定的，其中，各波長(zhǎng)處的光吸收率與所述超薄光學(xué)功能薄膜的體積、表面積、吸收功率和輸入功率之間滿足關(guān)系式(1)：

9、

10、其中，α為所述光吸收率，v為所述超薄光學(xué)功能薄膜的體積，c為光速，ε為材料的介電常數(shù)，ein為入射光振幅，s為所述超薄光學(xué)功能薄膜的表面積，θ為光的入射角，w(x,y)為入射光的功率耗散密度，∫∫∫vw(x,y)dv為所述超薄光學(xué)功能薄膜的吸收功率，ε0為絕對(duì)介電常數(shù)，ω為空氣中光的角頻率，ε”(x,y)為所述超薄光學(xué)功能薄膜的相對(duì)介電常數(shù)的虛部，e(x,y)為所述超薄光學(xué)功能薄膜的電場(chǎng)分布。

11、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述反射層為金屬反射層、金屬摻雜氧化物反射層或電介質(zhì)薄膜反射層；所述介質(zhì)層為無(wú)機(jī)氧化物介質(zhì)層、無(wú)機(jī)非氧化物介質(zhì)層、金屬氧化物介質(zhì)層或高分子聚合物介質(zhì)層；所述三維拓?fù)浣^緣體為碲化銻、碲化鉍或硒化鉍。

12、根據(jù)本申請(qǐng)的第二個(gè)方面，提供了一種超薄光學(xué)功能薄膜的制備方法，應(yīng)用于上述實(shí)施例中的超薄光學(xué)功能薄膜，包括：對(duì)襯底進(jìn)行拋光，在拋光后的所述襯底上依次鍍制反射層、介質(zhì)層和三維拓?fù)浣^緣體薄膜；

13、對(duì)所述三維拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行刻蝕制備納米柱陣列，并將所述納米柱陣列作為光吸收層；其中，所述納米柱陣列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，所述反射層、所述介質(zhì)層和所述光吸收層的總厚度為一百納米級(jí)。

14、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述在拋光后的所述襯底上依次鍍制反射層、介質(zhì)層和三維拓?fù)浣^緣體薄膜，包括：

15、在拋光后的所述襯底上進(jìn)行磁控濺射鍍制所述反射層；

16、在所述反射層上進(jìn)行磁控濺射或者熱蒸鍍，鍍制所述介質(zhì)層；

17、在所述介質(zhì)層上進(jìn)行磁控濺射或者原子束沉積，鍍制所述三維拓?fù)浣^緣體薄膜。

18、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述對(duì)所述三維拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行刻蝕制備納米柱陣列，包括：

19、采用聚焦離子束、電子束或者激光加工技術(shù)對(duì)所述三維拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行刻蝕，以制備所述納米柱陣列。

20、在本申請(qǐng)的示例性實(shí)施例中，所述納米柱陣列中納米柱的半徑為r、排列周期為p、高度為h；所述方法還包括：

21、當(dāng)0＜r≤p時(shí)，通過(guò)控制所述反射層的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm、所述介質(zhì)層的厚度大于或等于25nm且小于或等于35nm、r大于或等于130nm且小于或等于140nm、h大于或等于15nm且小于或等于25nm、p大于或等于300nm且小于或等于320nm，以使所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％；

22、當(dāng)時(shí)，所述納米柱陣列轉(zhuǎn)換為納米薄膜，通過(guò)控制所述反射層的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm、所述介質(zhì)層的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm、由所述納米薄膜形成的光吸收層的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm，以使所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

23、本申請(qǐng)中的超薄光學(xué)功能薄膜，包括由下至上依次設(shè)置的反射層、介質(zhì)層和光吸收層，光吸收層是由三維拓?fù)浣^緣體納米柱陣列組成，該納米柱的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，超薄光學(xué)功能薄膜的厚度為一百納米級(jí)，用于對(duì)400～1000nm波段的光進(jìn)行高效吸收。本申請(qǐng)中的超薄光學(xué)功能薄膜，一方面僅由三層組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備簡(jiǎn)單，易于大面積制備；另一方面，超薄光學(xué)功能薄膜的厚度僅為一百納米左右，并且還能對(duì)覆蓋全波段可見(jiàn)光的寬波段光譜進(jìn)行高效吸收，在降低制備成本的同時(shí)，提高了光吸收波長(zhǎng)范圍和光吸收效率，進(jìn)一步地，還降低了超薄光學(xué)功能薄膜與其它光學(xué)元器件或設(shè)備進(jìn)行集成的難度。

24、應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本申請(qǐng)。

技術(shù)特征：

1.一種超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于：所述反射層的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm；所述介質(zhì)層的厚度大于或等于25nm且小于或等于50nm；所述超薄光學(xué)功能薄膜的總厚度大于或等于75nm且小于或等于125nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于：所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率與所述納米柱陣列的厚度h、納米柱半徑r和納米柱排列周期p滿足以下關(guān)系：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于，所述納米柱陣列轉(zhuǎn)換為納米薄膜時(shí)，當(dāng)所述介質(zhì)層的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm，并且所述光吸收層的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm時(shí)，所述超薄光學(xué)功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于：所述介質(zhì)層和所述光吸收層的厚度是根據(jù)所述超薄光學(xué)功能薄膜在400nm～1000nm波段的平均光吸收率確定的，所述平均光吸收率是根據(jù)所述波段中各波長(zhǎng)處的光吸收率確定的，其中，各波長(zhǎng)處的光吸收率與所述超薄光學(xué)功能薄膜的體積、表面積、吸收功率和輸入功率之間滿足關(guān)系式(1)：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于：

7.一種超薄光學(xué)功能薄膜的制備方法，應(yīng)用于如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的超薄光學(xué)功能薄膜，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在拋光后的所述襯底上依次鍍制反射層、介質(zhì)層和三維拓?fù)浣^緣體薄膜，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述對(duì)所述三維拓?fù)浣^緣體薄膜進(jìn)行刻蝕制備納米柱陣列，包括：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述納米柱陣列中納米柱的半徑為r、排列周期為p、高度為h；所述方法還包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)屬于光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超薄光學(xué)功能薄膜及其制備方法，包括：由下至上依次設(shè)置的反射層、介質(zhì)層和光吸收層；其中，所述光吸收層是由三維拓?fù)浣^緣體材料制備的納米柱陣列，所述納米柱陣列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，并且所述超薄光學(xué)功能薄膜的厚度為一百納米級(jí)，用于對(duì)400～1000nm波段的光進(jìn)行高效吸收。本申請(qǐng)中的超薄光學(xué)功能薄膜的結(jié)構(gòu)和制備工藝簡(jiǎn)單、制備成本低，可以對(duì)全波段可見(jiàn)光和部分近紅外波段的光進(jìn)行高效吸收，并且整體厚度僅為一百納米級(jí)，易于與光學(xué)元器件及設(shè)備進(jìn)行集成。

技術(shù)研發(fā)人員：陸華,李頔琨,趙建林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西北工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29