CN102786925B - 金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，在热控器件表面沉积金属薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料沉积在金属表面上。本发明可以实现更高的发射率；而低于距离了温度时，复合机构的发射率和块体材料的相同，可以改善热致变色材料的性能，热致变色材料的厚度可以大大降低。

Description

金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料

技术领域

本发明属于发射率随温度改变的钙钛矿型氧化物，特别是一种利用金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料。

背景技术

热致变色材料由于其具有光学特性随着温度的变化而显著改变的特性，在可再生能源技术和未来的航天器热控制等领域有着广阔的应用前景。例如，用热致变色材料制成的智能型辐射装置贴附在航天器的表面可以自动控制从航天器中辐射出去的能量而不需要另外的电辅助设备。所有的热致变色材料中，Sr掺杂的钙钛矿型锰氧化物引起了许多研究者的兴趣。在合适的Sr掺杂范围内，由于双交换作用，钙钛矿型锰氧化物在居里温度附近显示出金属－非金属转变的特性。低于居里温度时显示低发射率的金属性，高于居里温度的时候显示高发射率的非金属性。一种媒质它的非金属性越强它的消光能力就越弱，即电磁波在媒质中衰减越慢。为了保证电磁波被媒质完全吸收，通常的做法是增大这种媒质的厚度，传统的硅基太阳能电池就是如此处理的。在传统的硅基太阳能电池中，硅层的厚度通常达到数百微米。根据基尔霍夫定律，在相同的波长位置媒质的吸收能力等于其辐射能力。因此，为了保证热致变色材料在大于居里温度时能够有更高的发射率就要求有足够的厚度，如果用在航天器上这就增大了航天器的重量负荷。以居里温度为283K的热致变色氧化物La_0.825Sr_0.175MnO₃ (LSMO)为例，295K温度下要确保进入LSMO层中的电磁能在热辐射波段被衰减到入射电磁能的1%，LSMO层的厚度要求大于10μm。例如，文献1（Genchu Tang，The thermochromic properties of La_1-xSr_xMnO₃ compounds，Solar Energy Materials & Solar Cells，2008）利用固相反应法制备了块体热致变色LSMO，文献中讨论了不同Sr组分对热致变色性能的影响，由于要保证能够具备良好的热致变色性能，块体材料的厚度为2mm，因而耗费了大量的热致变色材料。因此，增加电磁波在热致变色氧化物中吸收特性显得至关重要。随着近年来热辐射光谱特性控制技术的发展，通过利用波长或亚波长量级的周期性表面结构研究者发现了许多有趣的现象。例如，文献2（Wei Wang，Broadband light absorption enhancement in thin-film silicon cells，Nano Letters，2010）通过在薄膜硅电池的背面设置Ag光栅，实现了对可见光的增强吸收，可以有效地降低硅电池中所需要的硅材料。由此可见，可以通过将金属光栅结构引入热致变色氧化物的热辐射特性研究中，利用热致变色材料和金属光栅之间的耦合作用，以使得在保证材料具有良好的热致变色性能的前提下能够降低热致变色材料的耗材。

发明内容

本发明的目的在于降低智能型热控器件中热致变色材料耗材，提供一种相比于块体材料用材少且热致变色性能更好的金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，在热控器件表面沉积金属薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料沉积在金属表面上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）高于居里温度时，由于Fabry-Pérot共振和表面等离子体效应，在本发明的复合结构中电磁波能够被较多地吸收，即这种情况下相比于块体材料，复合机构可以实现更高的发射率；而低于距离了温度时，复合机构的发射率和块体材料的相同。因而，相比于块体材料，本发明的复合结构可以改善热致变色材料的性能。（2）要使热致变色材料能够完全吸收进入其中的电磁波，块体热致变色材料的厚度需要数十微米甚至更厚，而在本发明的复合结构中由于可以实现电磁波的增强吸收，因而热致变色材料的厚度可以大大降低。例如，对于居里温度为283K的热致变色材料LSMO，图1中所示结构的结构参数为：热致变色薄膜的厚度                                               ，Ag薄膜的厚度

，矩形光栅的厚度，光栅周期

，填充因子

，如图2所示，温度从100K升高到295K，和块体材料LSMO相比，引入Ag光栅以后的热致变色薄膜材料LSMO的发射率有了更大的提高，即结构的热致变色性能有所改善。整个结构的厚度仅为1.9μm，相比于数十微米的热致变色块体材料，材料消耗大大降低。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是利用金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料示意图。

图2是块体材料LSMO以及Ag光栅结构耦合的热致变色薄膜材料LSMO的发射率随温度变化图。

具体实施方式

本发明金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料是在热控器件表面沉积金属薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料沉积在金属表面上。当温度高于居里温度时，热致变色材料呈现非金属性，电磁波能够穿透热致变色薄层到达热致变色材料和金属界面上，利用电磁波在热致变色薄层中的Fabry-Pérot共振以及热致变色材料和金属界面上激发的表面等离子体效应，实现对电磁波的增强吸收。而温度低于居里温度时，热致变色材料呈现金属性，电磁波不能够穿透热致变色薄层，进入热致变色薄层的电磁波在到达金属光栅之前被热致变色材料完全吸收，所以结构中不存在Fabry-Pérot共振和表面等离子体效应，金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料中的光学特征和块体热致变色材料的相同。因此，具有光栅结构表面的金属薄膜和热致变色薄膜构成的复合结构可以实现相同或更好的热致变色性能；更为重要的是这种复合结构所耗费的热致变色材料大大少于块体材料。

结合图1，本发明金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料将需要进行热控制的器件（如航天器、小型卫星等表面）作为基底，利用热蒸发或者磁控溅射等方法在基底表面沉积金属（如Ag、Au、Cu等）薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料（如Sr掺杂的钙钛矿型锰氧化物）沉积在金属表面上，即可得到图1所示结构。随着温度的升高，热致变色材料的发射率也随之增大，即温度较高的时候有更多的热量从热控器件中散发出去，利用这一特性可以实现热控器件散热的自动控制。

热控器件的发射率可以通过其光谱吸收率对波长积分求得：

，其中

为不同温度下的黑体辐射强度。

本发明的复合结构中，热致变色材料薄层、金属薄层、矩形光栅的厚度、光栅周期以及填充因子等结构参数可以通过结构优化适当选取。但是为了能够达到减少材料消耗的目的，结构优化的原则是保证结构的热致变色性能不降低的前提下使得热致变色材料薄层、金属薄层和矩形光栅的厚度尽量薄。热致变色材料薄层的厚度在几百纳米到几个微米的量级，如500nm-2μm；0.1μm的金属薄层足以保证进入其中的电磁波完全衰减，因此金属薄层的厚度不大于0.1μm；矩形的金属光栅的厚度在数百纳米的量级，不超过1μm，过厚会导致使用更多的金属而增大材料的消耗以及热控器件的重量。金属光栅的周期在微米量级，即和热致变色材料的热辐射波长在同一个量级。

实施例

以居里温度为283K的热致变色材料LSMO为例，耦合的金属光栅以Ag作为基材，热致变色材料薄层的厚度，Ag薄层的厚度

，矩形的金属光栅的厚度

，光栅周期

，填充因子（填充因子

<1）。在这种结构参数下，比较Ag光栅结构耦合的薄膜热致变色材料LSMO和块体材料LSMO的热致变色性能。如附图2所示，温度从100K升高到295K，块体材料以及引入Ag光栅以后的复合结构的发射率变化分别为0.65和0.68，很显然引入Ag光栅以后热致变色性能有所改善。热值变色性能改善的幅度不大，约提高了4.6%。但是值得强调的是，本发明的复合结构的总厚度（

）仅为1.9μm，相比于数十微米的热致变色块体材料，本发明的材料消耗大大降低，这对于降低热控器件的重量大有裨益。

Claims (3)

1.一种金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，其特征在于：在热控器件表面沉积金属薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料沉积在金属表面上；其中热致变色材料的厚度                                                

为五百纳米到两微米，金属薄膜的厚度

不超过一百纳米，金属光栅的厚度

小于一微米。

2.根据权利要求1所述的金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，其特征在于：热致变色材料为Sr掺杂的钙钛矿型锰氧化物。

3.根据权利要求1所述的金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，其特征在于：金属光栅的周期在微米量级，即和热致变色材料的热辐射波长在同一个量级。

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