CN103121313B - 一种金属热敏光学薄膜的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种金属热敏光学薄膜的制造方法，所述金属热敏光学薄膜是由单层纳米金属膜或多层金属、非金属纳米膜组成的膜系；薄膜厚度控制在10纳米量级以上10微米量级以下。制造工艺是喷涂法：将金属材料处理成纳米颗粒粉末，粒度在1~500nm；然后利用分散剂溶解形成比例合适的纳米金属悬浊液，形成有效的量子相应阻挡层；再将悬浊液喷涂至光学材料的基体表面并使之固化成纳米金属膜，多层膜之间喷涂有其他介质膜。本发明的热敏光学薄膜，除能通过光学透射率的变化表征温度的变化外，还具有相应温度范围宽，尺寸小，成本低廉等特点，将在前述的各应用方面及其他相关领域有着广泛的应用前景，有着重要实际意义。

Description

一种金属热敏光学薄膜的制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学特性随温度变化而变化的金属热敏光学薄膜及其制造工艺方法。

背景技术

一般认为，在宏观或微米尺度的微观范围内，金属对光的衰减非常大，表现为所有金属材料均不透明。因此，通常情况下，在光学领域，金属材料多用作反射材料，在光学透射方面，金属材料更是没有明显的实际应用。

金属自由电子经典理论

但是，在1900-1905年，Drude和Lorentz建立的金属自由电子经典理论证明电磁波能够穿入到金属材料内部一定深度。其传输特性公式为：

其中S为电磁波平均能留密度，c为光速，为相对磁导率，为金属电导率，为电磁波频率，为真空中介电常数。

由上式可以得出，以光强衰减30dB为例，可见光在普通金属内穿入的深度在几纳米到100纳米以内，红外光的穿透深度大约在几十纳米到几十微米范围之间，随着穿透深度的增加，光的能留密度（与之对应的是光的强度）将不断减小。

对于红外光或者远红外光，考虑光波透射穿入的深度在微米到10微米量级，同时由欧姆的电阻率经验公式有：

式中为电阻率，为常数，为温度。

上两式联立得：

即电磁波穿透金属的平均能留密度为温度的函数。

金属薄膜的透射率为

 

因此，制成微米级厚度的金属薄膜，选择相应的红外光源波长对其进行透射光测量，该金属薄膜即为热敏光学材料。如图1所示的，温度和透射率具有一个线形的正比关系。

量子理论

另外，在20世纪二三十年代后逐渐建立起来的量子力学理论也表明金属在一定的条件下其光学性质会与非金属电介质类似或者相同，这时金属与非金属的界限将变得模糊，金属将表现出特殊的光学性质。

此时，对于可见光甚至紫外光，由于经上述理论推导的光波穿透金属的深度在100纳米尺度甚至是0.1纳米尺度，在这些厚度数量级的薄膜会表现出明显的量子特性，前述经典理论将不再适用，而必须用量子理论来表述和研究。

根据量子理论，金属薄膜在薄膜厚度方向上的原子数目有限，将表现为金属中电子的能级不在表现为准连续状态而是一定数量的明显分离的能级。Kubo采用电子模型求得的纳米能级间距为：

式中为能级间距即能隙，为费米势能，N为粒子中电子数。

此外总数量为N的电子分布在N个能级上。对于纳米薄膜材料，在薄膜厚度方向上，N远小于原子拥有的能级总数。N个电子在各能级上的分布几率根据温度的不同服从波尔兹曼分布。当温度变化时，各个能级上电子的分布几率也将按照波尔兹曼分布变化。当热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而自由移动时，电子按几率分布被束缚在相应能级上，表现为金属电阻率增大，由导体变成了绝缘体和普通电介质材料。当光入射金属材料时，电子以能隙为基本能量单位进行量子化地吸收光子的能量而可能导致电子克服能隙的阻隔移动跃迁，表现为金属对光的吸收随着温度的升高而周期性波动，表现出吸收损耗周期性变化的热敏效应，如图2所示。

发明内容

本发明的金属热敏光学薄膜（纳米尺度）主要基于量子力学理论基础，将利用金属材料在纳米尺度表现出的光量子特性而制作新型的热敏材料。

本发明的目的是发明一种金属热敏光学薄膜。

本发明的这种金属热敏光学薄膜是由单层纳米金属膜或多层金属、非金属纳米膜组成的膜系；薄膜厚度控制在10纳米量级以上10微米量级以下。

所述的金属热敏光学薄膜的制造工艺是：

采用喷涂法：将金属材料处理成纳米颗粒粉末，粒度在1~500nm；然后利用分散剂溶解形成纳米金属悬浊液，悬浊液浓度安排为分散剂比例0.2%~10%，使得金属颗粒均匀分散后再次添加有机分散剂，使纳米金属悬浊液形成有效的量子相应阻挡层；再将悬浊液喷涂至光学材料的基体表面并使之固化成纳米金属膜。

其中，具体是金属材料处理方法是采用纳米磨（循环砂磨机或球磨机）在氮气或惰性气体防止氧化的环境下研磨金属纳米微粒。

优选的分散剂是以芳香烃、皂化剂或者硅烷。

优选的基体是石英玻璃或硅酸盐玻璃。

优选的方法是：按照所述喷涂法多次喷涂成多层膜系。

在多次喷涂的纳米金属膜之间喷涂其他介质膜，形成具有特殊热敏特性的复合的金属热敏光学薄膜。

优选的其他介质膜为不含纳米金属颗粒的光学透明介质膜，如不含纳米金属颗粒的光学基体材料等。

本发明的金属热敏光学薄膜的另一种工艺方法是镀膜法，采用真空镀膜机，按多层膜结构从光学材料基体表面开始逐层镀膜形成金属热敏光学薄膜或者复合的金属热敏光学薄膜。

在光学领域，通常未遇到需要对温度进行控制或者测量的实际应用场合。例如为防止光学结构或器件的热胀冷缩引起光学指标的变化或漂移，或者在某些具体应用情况中需要对温度进行测量、计量等等。本发明制作的热敏光学薄膜，除能通过光学透射率的变化表征温度的变化外，还有现对于传统的热敏材料而言，具有相应温度范围宽，尺寸小，成本低廉等特点，将在前述的各应用方面及其他相关领域有着广泛的应用前景，有着重要实际意义。

附图说明

图1，基于经典理论的金属薄膜光学透射率热敏特性示意图；

图2，基于量子理论的纳米金属薄膜光学损耗热敏特性示意图；

图3，一般的金属膜的结构图；

图4，纳米与微米之间的金属薄膜光学损耗热敏特性图；

图5，本发明的金属热敏光学薄膜的结构图；

图6，本发明金属热敏光学薄膜的喷涂法制造流程图。

具体实施方式

如图3，图4，将金属材料制成薄膜，在考虑应用光波波长为长波长范围（例如红外或远红外范围）时，将薄膜厚度大约控制在10纳米量级以上10微米量级以下，金属即成为热敏光学薄膜材料，选择不同的金属材料及不同的膜层厚度，其光学热敏曲线不同，可以采用单层金属膜或多层由相同金属或不同金属组成的膜系实现不同的热敏光学特性曲线。

所述的金属是铬、镍、金、银或铝中的一种。

如图5，在光波波长较短时，将金属材料制成100纳米厚度以下的薄膜，形成金属纳米薄膜，这种薄膜表现出随温度周期性的光学衰减（损耗）变化，但其平均值变化不显著。选用不同的金属材料其变化的周期和幅值将不同。由于泡利不相容原理，使得不论是厚度小的金属膜还是厚度较大的金属膜，其内部电子均不能简并到相同能级上，因此在一定厚度（成膜厚度）范围内金属膜层的厚度对光学衰减（损耗）的变化没有贡献。须是膜层中可能有多个电子处于相同能级上以增强对光的吸收而加大变化幅值。因此要增强纳米膜的热明光学效应，必须采用多层金属膜形成的膜系来实现，多层金属膜之间用非金属介质膜分开以隔断各金属膜间的相互影响而发生的能级分裂。

选择合适的光波波长，采用介于上述两种膜厚的之间的薄膜，其热敏效应既会表现出经典特性也会表现出量子特性，可以利用其量子化的周期特性快速完成薄膜的识别标记同时完成热敏特性应用。

对于上述三种特性基本薄膜的灵活组合，再配合非金属介质膜可形成特性或功能复杂的各种热敏薄膜，包括单纯的金属热敏膜和具有非金属介质膜的纳米金属复合膜。具体的非金属介质膜为不含纳米金属颗粒的光学透明介质，如不含纳米金属颗粒的光学基体材料等。

本专利中的金属热敏光学薄膜可以由两种方法制成，一种为镀膜法，一种为喷涂法。

1，喷涂法。

具体工艺如图6的流程图，主要步骤是：将金属材料（本实施例选用铬或镍中的一种）处理成纳米颗粒粉末，具体是采用纳米磨（循环砂磨机或球磨机）在防止氧化的环境下（如添加氮气或惰性气体的加工环境）研磨金属微粒，要求根据实际光学插入损耗（插损）控制设计要求控制粒度在1-500nm之间；

然后利用分散剂根据实际应用环境测量温度范围，将纳米颗粒溶解进熔融玻璃或紫外固化胶水中。分散剂选用以芳香烃、皂化剂或者硅烷。通过合理配比悬浊液浓度，使得金属颗粒均匀分散（必要时可采用超声波助溶），悬浊液中的分散剂的比重为0.2%~10%之间；

利用有机分散剂（依然可以选择以芳香烃、皂化剂或者硅烷）使悬浊液具备有效地量子相应阻挡层的特性；

再采用3D打印工艺或波导刻蚀工艺或喷漆工艺将纳米材料或真空镀膜工艺在光学材料的基体（典型的如石英玻璃或硅酸盐玻璃）或底层材料上预制成膜，根据实际插损平均值控制要求控制膜厚（本发明的成品厚度），厚度控制在10纳米~10微米。必要时可多次喷涂，或者在多次喷涂的纳米金属膜之间喷涂其他介质膜，采用真空电镀工艺或喷涂工艺预制介质膜（光学意义上是阻挡层），形成具有特殊热敏特性的复合热敏光学薄膜；其他介质，典型是非金属介质膜，为不含纳米金属颗粒的光学透明介质，如不含纳米金属颗粒的光学基体材料等。

最后固化。对于熔融体冷却固化；对于喷涂工艺采用紫外曝光或加热固化；对于喷漆薄膜采用热固化或自然晾干。

2，镀膜法。

采用真空镀膜机，以应用方式中的多层膜结构为例，从光学材料的基体表面开始逐层镀纳米金属膜，根据膜层的不同，形成单纯的由纳米金属膜组成的金属热敏光学薄膜或者复合有其他介质膜的金属热敏光学薄膜。

Claims (5)

1.一种金属热敏光学薄膜的制造方法，所述的金属热敏光学薄膜是由纳米金属膜、光学基体材料组成的膜系；薄膜厚度控制在10纳米量级以上10微米量级以下；采用多次喷涂法制造，其特征是：将金属材料处理成纳米颗粒粉末，粒度在1~500nm；然后利用分散剂溶解形成纳米金属悬浊液，悬浊液浓度安排为分散剂比例0.2%~10%，使得金属颗粒均匀分散后再次添加有机分散剂，使纳米金属悬浊液形成有效的量子相应阻挡层；再将悬浊液喷涂至光学基体的表面并使之固化成纳米金属膜；在多次喷涂的纳米金属膜之间喷涂其他介质膜。

2.根据权利要求1所述的金属热敏光学薄膜的制造方法，其特征是：所述的金属是铬、镍、金、银或铝中的一种。

3.根据权利要求1所述的金属热敏光学薄膜的制造方法，其特征是：所述的光学基体材料不含纳米金属颗粒。

4.根据权利要求1所述的金属热敏光学薄膜的制造方法，其特征是：所述的分散剂是芳香烃、皂化剂或者硅烷。

5.根据权利要求1所述的金属热敏光学薄膜的制造方法，其特征是：所述的光学基体是石英玻璃或硅酸盐玻璃。