一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法，所述金属/介质超宽带吸收薄膜包括由下而上依次设置的基板、第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜(2)为由低折射率介质膜层L和高吸收金属薄层H交替设置构成的金属/介质膜堆，且第一薄膜与基板接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述第二薄膜为一单层低折射率介质减反膜AR。与现有技术相比，本发明专利技术省略了传统厚层贵金属衬底，增加了薄膜与基板间的附着力和牢固度，选材方法新颖，实现了400nm‑7000nm约7μm的吸收带宽，薄膜平均吸收率大于92％。

Metal / dielectric ultra wideband absorbing film and preparation method thereof

The invention relates to a metal/dielectric ultra-wideband absorption film and a preparation method thereof. The metal/dielectric ultra-wideband absorption film comprises a substrate, a first film and a second film arranged sequentially from bottom to top. The first film (2) is a metal/dielectric composed of a low refractive index dielectric film L and a high absorbing metal thin layer H alternately arranged. Film stack, and the side of the first film contacting the substrate is a low refractive index dielectric film L, the second film is a single low refractive index dielectric antireflection film AR. Compared with the prior art, the present invention omits the traditional thick noble metal substrate, increases the adhesion and firmness between the film and the substrate, and has novel material selection method, achieves the absorption bandwidth of about 7 micron at 400 nm to 7 000 nm, and the average absorption rate of the film is more than 92%.

【技术实现步骤摘要】
一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种光学薄膜，尤其是涉及一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法。
技术介绍
宽带吸收薄膜在光伏电池、光电检测、光学滤光片、隐形技术、热光源辐射等领域具有广泛的应用。其吸收带宽是影响其系统性能的关键因素。目前能够实现宽带吸收薄膜的技术途径主要有三种：微结构薄膜、高吸收黑膜和金属/介质组合薄膜。其中，微结构薄膜虽然可以实现宽带的吸收，但其需要精准的刻蚀技术，制备工艺比较复杂，制备成本高，不利于大面积产业化生产；且对于大尺寸的光学元件，微结构薄膜难以实际制备。高吸收黑膜，其制备效果容易受到制备工艺参数的影响，且目前已知的高吸收黑膜的工作带宽主要集中在可见光波段，严重限制了吸收元件的应用领域。金属/介质组合薄膜，克服了上述两类薄膜的缺点，具有成熟的制备工艺、低廉的制备成本和超宽带吸收的潜力。目前利用金属/介质组合薄膜设计的超宽带吸收薄膜多采用：金属基板|(介质/薄层金属)^N/单层介质减反膜|空气、石英基板|厚层金属衬底/(介质/薄层金属)^N/单层介质减反膜|空气的结构。例如，“Fullyplanarizedperfectmetamaterialabsorberswithnophotonicnanostructures”文中提到的“Ni基板|(SiO2/薄层Ni)^16/SiO2|Air”结构以及“Super-widebandperfectsolarlightabsorbersusingtitaniumandsilicondioxidethin-filmcascadeopticalnanocavities”中提到的“Si基板|厚层Ti衬底/(SiO2/薄层Ti)^4/SiO2|Air”，两种结构均在400nm-2600nm光谱范围内平均吸收率大于90％。但这两种膜系结构存在缺陷：其一，没有解决金属的选材问题，使用Ni或者Ti作为吸收性金属，并不能达到这种结构的吸收阈值，导致吸收带宽较窄；其二，采用金属Ni作为基板，限制了其作为吸收器的应用范围，采用Ti作为薄膜的金属衬底，降低了薄膜与基板间的附着力和牢固度，限制了其成膜质量。针对以上问题可知，解决金属/介质宽带吸收膜中的金属的选材问题、避免使用金属作为基板或薄膜衬底，实现更宽的吸收带宽、更稳定的薄膜结构和更广泛的应用范围，是金属/介质超宽带吸收薄膜的研制过程中急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服金属/介质组合薄膜现有的技术缺陷而提供的一种金属/介质超宽带吸收薄膜。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种金属/介质超宽带吸收薄膜，包括由下而上依次设置的基板、第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜为由低折射率介质膜层L和高吸收金属薄层H交替设置构成的金属/介质膜堆，且第一薄膜与基板接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述第二薄膜为一单层低折射率介质减反膜AR。进一步地，所述基板包括石英片或硅片。一种如所述的金属/介质超宽带吸收薄膜的制备方法，其特征在于，包括：所述金属/介质膜堆层数的确定；所述低折射率介质膜层L的材料及膜层厚度的选择；所述高吸收金属薄层H的金属材料及膜层厚度的选择；所述单层低折射率介质减反膜AR的材料及膜层厚度的选择。进一步地，所述低折射率介质膜层L的材料为SiO2。以使一级布拉格反射峰的位置在波长400nm以外为目标获得所述低折射率介质膜层L的膜层厚度。进一步地，所述高吸收金属薄层H的金属材料的选择具体为：对未加第二薄膜的膜系结构，通过传输矩阵法和Matlab迭代编程法，获得在一固定波长处，使所述膜系结构的吸收率达到最大的最佳金属色散；将不同金属的金属色散与所述最佳金属色散进行比对，得到与所述最佳金属色散最匹配的金属。进一步地，所述高吸收金属薄层H的膜层厚度的选择具体为：对未加第二薄膜的膜系结构，通过传输矩阵法和Matlab迭代编程法，获得基于所选金属材料的膜系结构的吸收率随金属厚度变化的吸收图谱，以具有最大吸收率的金属厚度作为膜层厚度。进一步地，所述单层低折射率介质减反膜AR的材料为SiO2。进一步地，以所述金属/介质超宽带吸收薄膜吸收率最高且带宽最宽为优化目标，获得单层低折射率介质减反膜AR的膜层厚度。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术设置有基底，省略了传统厚层贵金属衬底，一方面使用连续的薄层金属/介质膜堆，充分降低入射光的透射率，起到了和厚层贵金属衬底同样的作用；另一方面第一薄膜的低折射率材料膜层和基板接触，极大地增加薄膜附着力和牢固度，避免了传统金属/介质吸收薄膜中金属衬底或是金属基板的使用，增加了薄膜与基板间的附着力和牢固度，提高了成膜质量，拓宽了应用范围。2、本专利技术薄膜制备过程中采用了金属材料选择新思路。由于本专利技术的膜系近乎规整，参数较少，因此可利用利用传输矩阵法、Matlab迭代编程法得到不加介质减反膜时使此膜系吸收率最高、吸收带宽最宽的最佳金属色散n和k，用常用的金属材料和此最佳色散曲线相对比，得到最接近于此最佳金属色散n和k的金属。3、本专利技术大幅度拓宽了薄膜吸收带宽。经实际制备和测试表征，此结构可以实现400nm-7000nm接近7μm的吸收带宽，在此带宽内，薄膜平均吸收率大于92％。是迄今为止，金属/介质宽带吸收薄膜中，吸收带宽最宽的结构。附图说明图1为金属/介质超宽带吸收薄膜结构的示意图；图2为在JGS1|(LH)30|Air(L为SiO2，厚度为100nm)膜系结构中，使其吸收率最大的最佳金属消光系数k与其他常见金属对比图；图3为在JGS1|(LH)30|Air膜系结构(L为SiO2，厚度为100nm)膜系结构中，使其吸收率最大的最佳金属消光系数n与其他常见金属对比图；图4为在JGS1|(LH)30|Air膜系结构(L为SiO2，厚度为100nm；H为Cr)膜系结构中，不同厚度金属Cr的吸收图谱；图5为加第二薄膜和不加第二薄膜金属/介质宽带吸收薄膜的吸收图谱对比；图6为最终确定设计的金属|介质超宽带吸收薄膜膜系结构图；图7为制备出的金属|介质超宽带吸收薄膜样品光谱。图中标号：1是基板，2是第一薄膜，3是第二薄膜，H是高吸收金属薄层，L是低折射率材料膜层，AR是单层介质减反膜。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示，本专利技术提供一种金属/介质超宽带吸收薄膜，包括由下而上依次设置的基板1、第一薄膜2、第二薄膜3，第一薄膜2由低折射率介质膜层L和高吸收金属薄层H交替设置构成金属/介质膜堆。第一薄膜2与基板1接触的一侧为低折射率介质膜层L。第二薄膜3为一单层低折射率介质减反膜AR。即由基板1往上的偶数层为高吸收金属薄层H，奇数层为低折射率介质膜层L。顶层为低折射率介质减反膜层AR。第一薄膜2为由多层薄膜叠加而成的金属/介质膜堆，充足的膜堆，起到了和传统金属/介质吸收薄膜中厚金属衬底或金属基板相同的作用。因此，此结构中基板无特殊要求，采用常规的石英基板或硅片基板即可。上述金属/介质超宽带吸收薄膜的制备方法包括：所述金属/介质膜堆层数的确定；所述低折射率介质膜层L的材料及膜层厚度的选择；所述高吸收金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属/介质超宽带吸收薄膜，其特征在于，包括由下而上依次设置的基板(1)、第一薄膜(2)和第二薄膜(3)，所述第一薄膜(2)为由低折射率介质膜层L和高吸收金属薄层H交替设置构成的金属/介质膜堆，且第一薄膜(2)与基板(1)接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述第二薄膜(3)为一单层低折射率介质减反膜AR。

【技术特征摘要】
1.一种金属/介质超宽带吸收薄膜，其特征在于，包括由下而上依次设置的基板(1)、第一薄膜(2)和第二薄膜(3)，所述第一薄膜(2)为由低折射率介质膜层L和高吸收金属薄层H交替设置构成的金属/介质膜堆，且第一薄膜(2)与基板(1)接触的一侧为低折射率介质膜层L，所述第二薄膜(3)为一单层低折射率介质减反膜AR。2.根据权利要求1所述的金属/介质超宽带吸收薄膜，其特征在于，所述基板(1)包括石英片或硅片。3.一种如权利要求1所述的金属/介质超宽带吸收薄膜的制备方法，其特征在于，包括：所述金属/介质膜堆层数的确定；所述低折射率介质膜层L的材料及膜层厚度的选择；所述高吸收金属薄层H的金属材料及膜层厚度的选择；所述单层低折射率介质减反膜AR的材料及膜层厚度的选择。4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述金属/介质膜堆层数大于30。5.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述低折射率介质膜层L的材料为SiO2。6.根据权利要求5所述制备方法，其特征在于，以使一级布拉格...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦宏飞，钮信尚，张学敏，马彬，张锦龙，程鑫彬，王占山，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31