一种金纳米棒光学薄膜制造技术

本发明专利技术公开了一种金纳米棒光学薄膜，属于光学薄膜材料技术领域。一种金纳米棒光学薄膜，光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列。其优点是：本发明专利技术对不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、双折射器件等，在光学薄膜领域，其容易实现折射率匹配，从而达到镀膜层数较少的情况下具有较高透过率。

An optical thin film of gold nanorods

The invention discloses a gold nanorod optical film, belonging to the technical field of optical thin film materials. A gold nanorod optical thin film with periodic arrangement of gold nanorods in a photochemical film. The advantages are: the invention is equivalent to the different refractive index of different polarization of the incident wave, it can make other devices such as polarizers and birefringent devices, in the field of optical thin film, it is easy to realize, has high refractive index, transmittance to the coating layers under the condition of less.

【技术实现步骤摘要】
一种金纳米棒光学薄膜
本专利技术属于光学薄膜材料
，尤其涉及一种金纳米棒光学薄膜。
技术介绍
光学薄膜是用物理或化学方法涂镀在玻璃或金属光滑表面上的透明介质膜。光学薄膜利用光波在薄膜中的反射、折射及叠加干涉可以达到减反或增反的效果，还可以起到分光、滤光、调整光束偏振或相位状态等作用。光学薄膜在近代科学技术中有广泛的应用，但是如何减少光波传播过程中的反射也成为了现代光学中的重要课题。光波在传播过程中无反射的状态称为匹配，根据波动光学平行平板的多光束干涉理论，当光波从折射率为n0的介质入射到折射率为nG的介质时，对于单层膜，要使膜系的反射比为零，起到全增透作用需满足n2=n0nG且nh=λ/4，其中，n为膜折射率，λ为入射波长，h为膜层厚度。对于n0=1，nG=1.5的典型情况，其n=1.22，但目前还找不到这种低折射率的材料，通常使用的低折射率材料是氟化镁，其折射率为1.38，反射率为1.3%，仍不能满足全增透条件。而对于多层四分之一波长涂层，要求膜系中的各层折射率满足ni2=n(i-1)n(i+1)，其中i为层数。多层四分之一波长膜系可采用契比雪夫设计或二项式设计，然而因为难于找到具有所要求的折射率的多种低损耗材料而难以实现。一种在光学涂层中易于实现的方法是由两种折射率的涂层交替涂覆所构成的周期性多层膜系，它既可做成增透膜又可做成高反膜。然而，此方法要达到较好效果需要的膜层较多，对镀膜技术要求较高，例如氦氖激光器谐振腔的反射镜涂层通常达15至19层，反射率为99.6%（郁道银,谈恒英.工程光学.第二版.北京:机械工业出版社,2006.p333）。近年来，关于低折射率膜的报道很多，如“NanostructuredMultilayerTailored-Refractive-IndexAntireflectionCoatingforGlasswithBroadbandandOmnidirectionalCharacteristics，S.Chhajedetal.，Appl.Phys.Express,4,2011,052503”、“Light-ExtractionEnhancementofGaInNLight-EmittingDiodesbyGraded-Refractive-IndexIndiumTinOxideAnti-ReflectionContact，JongKyuKimetal,，Adv.Mater.,2008,20,801–804”、“RealizationofaNear-perfectAntireflectionCoatingforSiliconSolarEnergyUtilization，Mei-LingKuoetal.，Opt.Lett.,2008，21(33)，2527-2529”等。然而此类报道中低折射率材料均为倾斜纳米棒，通过纳米棒倾斜角控制折射率大小，但倾斜纳米棒一方面朝向各异、难于制造；另一方面需要一层基底支撑，故其膜与膜之间存在着一层基底，膜层连续性差，影响着多层膜的透射效果。
技术实现思路
针对现有技术中存在膜层少时透过率不高的问题，本专利技术的目的是提供一种金纳米棒光学薄膜。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种金纳米棒光学薄膜，光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列。所述光学薄膜的厚度为81.65～195nm。所述金纳米棒的半径为5～20nm，金纳米棒的间距为8.3～44.9nm。所述周期排列为线状周期排列或网状周期排列，其周期尺寸小于入射波长的十分之一。所述入射波长为400～953.7nm。本专利技术的金纳米棒为圆柱型，其周期尺寸d一般小于λ/10，λ为入射波长。金纳米棒的周期排列的示意图如图1-4所示，其中图1与图2中金纳米棒的周期排列为线状周期排列，图3与图4中金纳米棒的周期排列为网状周期排列。周期排列的金纳米棒的半径及排列周期不同时，其等效折射率也不同。为使其在入射波长为λ时实现全增透，当光波从折射率为n0的介质入射到折射率为nG的介质时，膜厚h应满足nh=λ/4，其中n2=n0nG，n为膜折射率。膜厚应为金纳米棒排列周期尺寸d的整数倍，即h=md，m为正整数。m太小时周期尺寸d不满足等效介质条件d＜λ/10，m太大时d太小，制造困难，综合考虑等效条件及膜层制造复杂性，一般取m=3或m=4，从而确定周期尺寸d的大小。确定周期尺寸d的大小后，对金纳米棒半径r进行优化。金纳米棒半径不同时，其等效折射率也不同。故改变金纳米棒半径，膜层透射率随之变化；选取适当的采样间隔，可获取一组膜层透过率随金纳米棒变化的数据，利用最小二乘法得到拟合曲线，透过率峰值位置处的金纳米棒半径即为优化值。本专利技术具有以下优点和积极效果：1、通过改变金纳米棒半径及排列周期，可以更改其透过率，例如对于周期尺寸d=38.3nm，金纳米棒半径在5nm至14nm时，可使膜层等效折射率在波长为563.6nm时达到1.05～1.4，故其非常容易实现多种波段、以及大、中、小多种折射率光学材料的完美匹配，极大地丰富了增透膜的适用范围。2、随着制造技术的成熟与进步，其有望直接作为光学透镜材料使用，因此扩充了光学材料范围，对成像相关研究具有重要意义。3、金纳米棒线性周期排列时，对不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、双折射器件等。4、本专利技术在光学薄膜领域，其容易实现折射率匹配，从而达到镀膜层数较少的情况下具有较高透过率。附图说明图1是本专利技术中金纳米棒呈线性周期排列的示意图。图2是本专利技术中金纳米棒呈线性周期排列的主视图。图3是本专利技术中金纳米棒呈网状周期排列的示意图。图4是本专利技术中金纳米棒呈网状周期排列的俯视图。图5是实施例1中入射波长为563.6nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。图6是实施例1中三种玻璃的电场分布图，其中（a）不镀膜的玻璃的电场分布图，（b）镀氟化镁膜的玻璃的电场分布图，（c）镀金纳米棒光学薄膜的玻璃的电场分布图，（d）为图（c）的放大图。图7是本专利技术中实施例1中入射波与反射波干涉区域电场振幅分布图，其中1为不镀膜玻璃，2为镀氟化镁膜玻璃，3为镀金纳米棒光学薄膜玻璃。图8是本专利技术中实施例1入射波长与薄膜材料透过率的关系图，其中（a）正入射时入射波长与其透过率的关系图，（b）入射角为20度时入射波长与其透过率的关系图，（c）入射角为30度时入射波长与其透过率的关系图。图9是本专利技术中实施例2中主波长为688.8nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。图10本专利技术中实施例2入射波长与薄膜材料透过率的关系图，其中a）正入射时入射波长与其透过率的关系图，b）入射角为20度时入射波长与其透过率的关系图，c）入射角为30度时入射波长与其透过率的关系图。图11是本专利技术中实施例3中入射波长为400nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。图12是本专利技术中实施例4中入射波长为953.7nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。具体实施方式本专利技术的目的是提供一种金纳米棒光学薄膜，在光学薄膜领域，其容易实现折射率匹配，从而达到镀膜层数较少的情况下具有较高透过率。实施例1（1）镀金纳米棒光学薄膜的玻璃，其中金纳米棒呈线状周期排列，其排列周期尺寸d=3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金纳米棒光学薄膜，其特征在于：光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列，所述金纳米光学薄膜镀在玻璃表面，所述金纳米棒光学薄膜和所述玻璃之间形成镀金纳米棒光学薄膜的玻璃入射界面，所述金纳米棒平行于所述入射界面，所述金纳米棒周期尺寸小于入射波长的十分之一。

【技术特征摘要】
1.一种金纳米棒光学薄膜，其特征在于：光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列，所述金纳米光学薄膜镀在玻璃表面，所述金纳米棒光学薄膜和所述玻璃之间形成镀金纳米棒光学薄膜的玻璃入射界面，所述金纳米棒平行于所述入射界面，所述金纳米棒周期尺寸小于入射波长的十分之一。2.根据权利要求1所述一种金纳米棒光学薄膜，其特征在于：所述光学薄膜的厚度为81.65～...

【专利技术属性】
技术研发人员：李子乐，郑国兴，张逸伦，何平安，郧建平，杨晋陵，赵江南，高俊玲，周辉，田昕，李松，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42