一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构，包括由金属氮化物材料组成的反射层以及由氮化铝钛材料组成的吸收层。本发明专利技术同时公开了一种上述涂层结构的制备方法。与现有的金属

【技术实现步骤摘要】
一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构及制备方法


[0001]本专利技术属于先进微纳加工制造领域，具体是涉及一种耐磨损超薄彩色光学涂层配方结构及制备方法。

技术介绍

[0002]在自然界，人眼可观察的色彩主要有三个来源，分别是染料、生物荧光和微纳结构。由微纳结构形成的彩色被称为结构色，其精彩之处不仅在于可以用于模仿出自然界中的特殊微纳结构，而且还可以在仿生功能材料等多方面有重要应用。目前，人们可通过多种微纳加工的方法制备结构色。例如，基于局域表面等离激元共振的金属纳米结构，基于米氏散射的全电介质纳米结构，基于光学衍射的光栅结构，或基于光学干涉原理的纳米薄膜结构。从制备的角度而言，薄膜形成的结构色相对于前几者更容易实现大面积生产，因其不需要复杂的纳米加工方法，如电子束曝光、聚焦离子束刻蚀、纳米压印、激光直写、激光干涉等。
[0003]传统上，由多层透明电介质薄膜组成的布拉格反射镜便具有五颜六色的视觉效果。然而，这种由两种不同折射率电介质材料交替堆叠组成的复合薄膜通常有数微米的厚度，且其颜色会随观察角度的不同而改变。为了解决这一问题，近年来人们专利技术了由金属和高吸收的半导体两层材料组成的复合薄膜，其总厚度一般在几十到几百纳米。其中金属层起反射光的作用，半导体层其吸收光的作用，两者构成一个宽波段光吸收器，因此颜色可通过简单地改变半导体薄膜厚度来调节，且肉眼观察到的颜色基本上不随观察角度变化。
[0004]但是，这种金属——半导体复合薄膜涂层通常使用贵金属和硅以及锗等半导体。这些材料本身的硬度以及他们之间的粘附性都较弱，导致复合涂层的抗磨损性较差，一般用人的指甲便可将其划破，这极大降低了其实用性。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种抗磨损的类金属——半导体复合薄膜彩色涂层结构及制备方法。本专利技术利用两层复合超薄涂层形成彩色的外观，具有耐磨损、抗腐蚀的优点。
[0006]一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构，包括由金属氮化物材料组成的反射层以及由氮化铝钛材料组成的吸收层。
[0007]作为预选，所述金属氮化物选自氮化钛、氮化铬或者两种氮化物的混合物。
[0008]本专利技术涉及的金属材料的作用由超硬陶瓷材料氮化钛或氮化铬替代。氮化钛和氮化铬在可见波段具有接近金的光学性质，在近红外波段具有高反射率，因此肉眼观察呈金黄色。相对于常见的贵金属材料，氮化钛/氮化铬还具有以下优点。
[0009]氮化钛和氮化铬体材料的莫氏硬度高达9.0，且具有很好的粘附性。本专利技术中，沉积在衬底材料形成几十纳米厚的薄膜后，这两种材料可承受莫氏硬度8.0以上材料尖锐角的刮擦，远超过常见贵金属如金、银、铝等薄膜。
[0010]本专利技术涉及的氮化铝钛相对于常见高吸收半导体如硅、锗具有以下优点。首先，氮
化铝钛材料莫氏硬度高达9.0，在可见波段具有较高的光学吸收，因此在单独沉积在玻璃衬底上时呈现灰色，可承受莫氏硬度8.0以上材料尖锐角的刮擦。其次，由于氮化铝钛在表面由自然氧化形成一层致密的氧化铝膜层，其抗氧化温度高达900℃，远超过硅的400℃氧化温度。此外，氮化铝钛除了其自身的高硬度可抵抗磨损，其与氮化钛/氮化铬之间形成的化学键具有很强的粘附力，还可有效抵抗粘附失效。
[0011]作为优选，所述氮化铝钛为Ti
x
Al
y
N，其中x:y＝1:1
‑
2:1。
[0012]作为优选，反射层和吸收层组成的两层薄膜总厚度小于300纳米.
[0013]作为优选，所述反射层厚度为20纳米～250纳米范围内。
[0014]作为优选，所述吸收层的厚度为5纳米～100纳米。
[0015]作为优选，所述反射层厚度为40纳米到150纳米(进一步优选为50～150纳米)；所述吸收层的厚度为10纳米到50纳米。
[0016]作为优选，还包括基底，所述反射层敷设在基底上，所述吸收层敷设在反射层上。
[0017]作为优选，所述基底选自玻璃、蓝宝石半导体硅、不锈钢金属或者结构表面。
[0018]可以采用现有的各种膜加工技术实现对上述耐磨损超薄彩色光学涂层结构的加工，作为优选，可以选择磁控溅射进行所述耐磨损超薄彩色光学涂层结构的加工。
[0019]本专利技术还提供了一种上述任一项技术方案所述的耐磨损超薄彩色光学涂层结构的加工方法，利用磁控溅射依次沉淀由金属氮化物材料组成的反射膜和由氮化铝钛材料组成的吸收层。
[0020]本专利技术涉及的氮化钛/氮化铬——氮化铝钛复合薄膜，首先在任意材料上镀一层氮化钛或氮化铬薄膜，厚度参数不受限制。随后在氮化钛/氮化铬上方沉积一层氮化铝钛薄膜，其厚度根据所需的颜色可灵活调节。氮化钛/氮化铬——氮化铝钛复合涂层可抵抗模式硬度高达6.0材料，如不锈钢镊子的刮擦。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果体现在：
[0022]与现有的金属
‑
贵金属或硅以及锗多层透明电介质薄膜相比，本专利技术得到的金属氮化物/氮化铝钛符合薄膜具有更好的耐磨性和抗腐蚀性等。采用氮化铝钛作为吸收层，其自身具有较高的耐磨性，且其在表面会形成致密的氧化铝膜层，使得其具有超高的耐氧化性。同时氮化铝钛与金属氮化物之间具有更强的粘附力，使得本专利技术的涂层结构具有较好的抗粘附失效性能。
附图说明
[0023]图1.沉积在基底材料上的氮化钛/氮化铬——氮化铝钛复合涂层示意图。其中1为基底，2为氮化钛或氮化铬薄膜，3为氮化铝钛薄膜。箭头表示入射光在两层薄膜表面发生反射。氮化铝钛和空气界面反射的光与氮化铝钛和氮化钛界面反射的光发生干涉，形成共振吸收。
[0024]图2.本实例中氮化铝钛的吸收光谱(a)和氮化钛的反射光谱(b)。两者的厚度均为50纳米。
[0025]图3.不同厚度氮化铝钛沉积在50纳米氮化钛上呈现的不同颜色(a)，对应的反射光谱(b)，在CIE1931色坐标中的xy值(d)。20纳米氮化铝钛沉积在50纳米氮化钛上，在不同入射角下的反射光谱(c)。
[0026]图4.利用不锈钢镊子对复合涂层进行的抗磨损测试。(a)50纳米铜薄膜上沉积50纳米非晶硅，(b)50纳米氮化钛薄膜上沉积50纳米氮化铝钛。
[0027]图5.利用安东帕压痕测试仪对本专利技术得到的复合膜样品和对比样品进行压痕测试的结果图。
[0028]图6.为进行安东帕压痕测试过程中样品的电镜图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术实例作进一步说明：
[0030]如图1所示，以在基底上加工复合膜为例，一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构，包括敷设在基底1上的由金属氮化物材料组成的反射层2以及敷设在反射层上的由氮化铝钛材料组成的吸收层3。
[0031]加工时，可以采用磁控溅射方法实现对本专利技术的复合膜的加工。首先在基底上利用磁控溅射镀氮化钛薄膜。基底的材料不限，可以是电介质材料如玻璃、蓝宝石，半导体硅或者不锈钢金属等。表面粗糙度不限，可以是光学平整度的表面也可以是粗糙的表面。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐磨损超薄彩色光学涂层结构，其特征在于，包括由金属氮化物材料组成的反射层以及由氮化铝钛材料组成的吸收层。2.根据权利要求1所述的耐磨损超薄彩色光学涂层结构，其特征在于，所述氮化铝钛为Ti
x
Al
y
N，其中x:y＝1:1
‑
2:1。3.根据权利要求1所述的耐磨损超薄彩色光学涂层结构，其特征在于，反射层和吸收层组成的两层薄膜总厚度小于300纳米。4.根据权利要求1所述的耐磨损超薄彩色光学涂层结构，其特征在于，所述金属氮化物选自氮化钛、氮化铬或者两种氮化物的混合物。5.根据权利要求1所述的耐磨损超薄彩色光学涂层结构，其特征在于，所述反射层厚度为20纳米～250纳米范围内。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，耿娇，石理平，
申请(专利权)人：西湖大学，
类型：发明
国别省市：