一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件制造技术

本发明专利技术公开了一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第六层为光吸收层，采用过渡金属膜；第七层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第八层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；第一层到第八层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250‑2000nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1。通过结构参数的最优化计算，能够在250－2000nm波长区，实现光子能量被转换为热能的光吸收率Ax超过95％。

Infrared enhanced broadband photothermal conversion thin film device

The invention discloses a broadband infrared photothermal conversion enhanced thin film devices, the first layer is a protective layer anti reflection, the transparent dielectric film; the second layer is the light absorption layer, the transition metal film; third layer optical amplitude and phase matching layer, the transparent dielectric film; the fourth layer is the light absorption layer, the the transition metal film; fifth layer optical amplitude and phase matching layer, the transparent dielectric film; the sixth layer is the light absorption layer, the transition metal film; seventh layer optical amplitude and phase matching layer, the transparent dielectric film; the eighth layer is high reflection layer with high reflection metal film is completely non transparent; the first layer to the eighth layer thickness on the selection of optical constants of each layer, in the 250 2000Nm wavelength region, high absorption conditions: (R+T) = 5%, AX = 95%, R+T+AX = 1. Through the optimization calculation of structure parameters, can achieve in the 2502000nm wavelength region, the photon energy is converted to heat the light absorption rate of more than 95% Ax.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学电子器件
，涉及一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件。
技术介绍
具有纳米结构的多层薄膜在高科技领域有重要应用，如在绿色太阳能领域，可利用选择性太阳光吸收薄膜结构的光谱特性将太阳能转换成热能。目前在太阳能利用的研究方面，大多将注意力集中在器件的光电能量转换特性方面，主要是采用非晶态、多晶态和晶态的半导体材料，利用其特殊的能带结构来实现太阳能的光电转换过程。然而，由于不同半导体材料具有不同的能带结构，其吸收和光电转换特性难以与太阳光宽阔的光谱区完全匹配，导致超过70％的太阳能不能被充分利用。影响半导体材料应用推广的另一因素是其昂贵的材料和工艺成本。与此相比，薄膜材料具有结构和工艺制备相对较简单，通过合理的材料选择和结构设计，可实现在宽广的光谱区，实现光子能量的高效率吸收，具有无环境污染，性能稳定，工艺简单，低成本、工作温度高，易于推广等优点，并可在绿色太阳能领域获得应用。目前在光电子领域获得应用的多层薄膜器件大多由非光学吸收材料组成，要求光吸收很小，甚至可被忽略不计。然而，当采用由强光吸收材料，如金属和非光吸收材料组成混合的多层薄膜结构时，可依据合适的金属和介质材料的光学性质，通过选择合适的材料和膜系结构参数，能够实现在很宽的光谱区，将大部分光子能量被金属薄膜层吸收，并转换为热能。根据归一化的能量守恒原理，R+T+A＝1，其中，R、T、A分别是器件总的光学反射、透射和吸收率，并且是波长和薄膜结构参数的函数。在本专利技术中，要求光热转换器件在250－2000nm光谱区的特征为：(R+T)(≤5％)+Ax(≥95％)＝1。因此，通过采用合适的金属和介质材料组成薄膜结构，依据合适的光学常数和结构参数，将可使得光在这样的薄膜结构中被高效率转换为热，在很宽的光谱区产生的效果为R+T≤5％，同时实现总的吸收Ax≥95％。在此条件下，当光子入射到器件中时，将有超过95％的光子被器件吸收，被吸收的光子能量在薄膜层内被转换成热能。现有专利ZL200610027440.1，采用4层薄膜结构，工作波长区局限在为400-1000nm波长区，平均吸收率仅90％，尤其是紫外(250-400nm波长区)和红外(1000-2000nm波长区)的吸收率很低，难以在紫外和红外区被应用。现有专利CN105252844A，采用6层薄膜结构，工作波长局限在250-1200nm波长区，其平均吸收率可达95％，但是对于红外(1200-2000波长区)的吸收率很低，难以在红外区被应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，能够在250－2000nm波长区，尤其在红外1200-2000波长区，通过选择合适的金属材料和薄膜结构，实现光子能量被转换为热能的光吸收率Ax超过95％，解决了现有技术中存在的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术中一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，采用一种由金属和非金属薄膜组成的8层膜结构，其第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第四层为为光吸收层，采用过渡金属膜；第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第六层为光吸收层，采用过渡金属膜；第七层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第八层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；第一到第八厚度的选择依据各薄膜层的光学常数，在250－2000nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1。进一步地，在上述器件中，所述第一层、第三层、第五层、第七层的透明介质材料选用SiO2、玻璃(如BK7)、CaF2、KCl或MgF2。进一步地，在上述器件中，所述第二层、第四层、第六层的过渡金属膜材料选用Ti、W、Cr。进一步地，在上述器件中，所述第八层的完全非透明的高反射金属材料选用Ag、Al、Cu、Au。更进一步地，在上述器件中，所述第八层厚度100-150nm，第七层厚度40-60nm，第六层厚度10-20nm，第五层厚度40-80nm，第四层厚度5-10nm，第三层厚度40-80nm，第二层厚度2-5nm，第一层厚度60-80nm。本专利技术的有益效果是，采用8层薄膜结构，显著增强了250-2000nm波长区的光吸收率，通过结构参数的最优化计算，其平均吸收率可大于95％，尤其是在近红外1000-2000nm波长区的吸收率获得显著提高，有更高的光热转换效率，便于器件在更宽的光谱区获得推广应用。附图说明下面结合附图和实施方式，对本专利技术所选取的实际材料和结构参数以及所获得的结果作进一步详细的说明。图1为本专利技术所述的一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件中由过渡金属和透明介质混合的8层薄膜结构示意图。图2为实施例中基于图1结构，采用过渡金属Ti为吸收材料；SiO2为介质材料；Cu为高反射金属吸收材料，采用SiO2(65.0nm)/Ti(3.4nm)/SiO2(72.6nm)/Ti(6.3nm)/SiO2(67nm)/Ti(12.9nm)/SiO2(52.4nm)/Cu(>100.0nm)的结构参数，获得了250-2000nm光谱区的反射谱R和吸收谱A的计算和实验结果对比数据图。具体实施方式本专利技术的一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，是一种由金属和非金属薄膜组成的8层膜结构，是对通常反射和透射非吸收薄膜结构的改进，其结构为：第一层为透明介质膜，其作用是减少过渡金属层表面的光反射损失，以及将过渡金属层与大气隔离，有效保护过渡金属层。第二层为光吸收层，增强红外区的吸收特性，采用过渡金属膜。第三层为透明介质膜，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。第四层为光吸收层，采用过渡金属膜。第五层为透明介质膜，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。第六层为光吸收层，采用过渡金属膜。第七层为透明介质膜，在结构中起到光学振幅和相位匹配的作用，使光子能量主要集中在过渡金属层中，被过渡金属层吸收。第八层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜。上述器件中，第一层、第三层、第五层、第七层的透明介质材料选用SiO2、玻璃(如BK7)、CaF2、KCl或MgF2透明介质材料。第二层、第四层、第六层过渡金属膜材料选用Ti、W、Cr过渡金属材料。第八层采用Ag、Al、Cu、Au高反射金属材料。该器件中，第一到第六厚度的选择依据各薄膜层的光学常数，在250－2000nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1。本专利技术为一种红外增强宽带光热转换薄膜器件，按照以下步骤和结构参数制备：步骤1，在真空条件下，采用离子溅射、热蒸发、电子束蒸发和其它薄膜生长方法，在抛光的玻璃衬底上淀积适当厚度(>100nm)的第八层完全非透明的高反射金属膜，形成的薄膜结构在250-2000nm光谱区具有完全非透明的高反射光谱特性。步骤2，然后在第八层完全非透明的高反射金属膜上，淀积适当厚度(40-60nm)的第七层透明介质膜，起到光学振幅和位相匹配的作用。步骤3，然后在第七层透明介质膜上,淀积较小厚度(10-20nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，其特征在于，由金属和非金属薄膜组成的8层膜结构，其结构为：第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第六层为光吸收层，采用过渡金属膜；第七层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第八层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；第一层到第八层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250－2000nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1。

【技术特征摘要】
1.一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，其特征在于，由金属和非金属薄膜组成的8层膜结构，其结构为：第一层为防反射的保护层，采用透明介质膜；第二层为光吸收层，采用过渡金属膜；第三层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第四层为光吸收层，采用过渡金属膜；第五层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第六层为光吸收层，采用过渡金属膜；第七层为光学振幅和位相匹配层，采用透明介质膜；第八层为高反射层，采用完全非透明的高反射金属膜；第一层到第八层厚度的选择依据各膜层的光学常数，在250－2000nm波长区，满足的高吸收条件为：(R+T)≤5％,AX≥95％,R+T+AX＝1。2.根据权利要求1所述的一种红外增强的宽带光热转换薄膜器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦玮，刘信兴，陈良尧，胡二涛，臧恺岩，姚远，郑加金，郑玉祥，王松有，张荣君，李晶，杨月梅，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31