CN104834026A - 一种宽波段光透明的连续金属膜结构及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽波段光透明的连续金属膜结构及其实现方法。该宽波段光透明的连续金属膜结构自下而上依次由平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）共三层结构组成。整个宽波段光透明的连续金属膜结构可以通过技术已非常成熟的物理沉积方法包括离子溅射镀膜、脉冲沉积系统、磁控溅射镀膜和胶体颗粒自组装法等方法获得。本发明为实现宽波段光透明金属膜结构提供了一条全新且可行的简易途径。本发明将为用于太阳能光伏、热光伏技术以及光电显示等领域提供一个高效可行的宽波段光透明金属电极的手段和技术方法。
Description
技术领域
本发明涉及光学、材料和能源等多个领域，具体涉及一种金属-介质材料的宽波段光透明的宽波段光透明的连续金属膜结构及其实现方法。
背景技术
宽波段光透明（Broadband optical transparency）的连续金属膜（Continuous metal film）结构是实现高效太阳能光谱吸收与宽频带光电探测与显示的一个必备元件。透明的金属膜层因为同时具备完美的高电导电学特性和宽波段的光透明特性可以在新兴透明电极以及触摸显示等领域获得非常重要的应用。而实现原本金属膜层不透光想宽波段光透明的转变，依赖的是表面等离激元共振和耦合以及介质光学微腔提供的共振模式对光场或电磁波产生的耦合和局域效应。
表面等离激元的概念是金属自由电子在外加光波照射下引起的集体振荡，导致电磁场局域在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元（Surface plasmons）。在光波场激发下的表面等离激元共振（Surface plasmon resonance, SPR）会呈现与结构特性匹配的光谱响应，因而，通过设计特定结构参数的金属体系可以实现在不同频段的光谱响应。此外，与单一金属结构包括金属颗粒的光谱响应不同的是，对于紧密排列的金属颗粒阵列而言，相邻颗粒之间会产生很强的近场等离激元耦合效应（Plasmonic near-field coupling effect），这种效应可以形成宽波段的超强的光场或电磁波场的局域和耦合吸收，因而可以在光谱上获得宽波段的光吸收特性。
光学微腔包括不同几何形状的腔体结构，比如球体、波导结构以及其他谐振腔（Fabry-Perot, FP）。这些微腔也可以提供很强的光学共振模式。例如，平整的介质膜层即可以构成为一个简单的FP腔，在与此腔结构匹配的频段就可以产生很强的光场或电磁波场的耦合与局域，这在光的传输以及其他光电子器件包括激光器的谐振腔等都具有非常重要的应用价值。
连续金属膜层基于其内在的完美电导特性（高电导、低电阻）在传统电子器件包括电能输送上获得了广泛的应用，业已成为现今社会不可分离的一部分。然而，在光学上，连续金属膜层结构与生俱来的不透光特性极大地限制了它在新兴光电功能器件领域的发展。例外的也是用的普遍的地方则是用金属膜层作为镜子。当前国内外研究对于同时获得高电导和高光透明的金属结构一直是热点关注，这主要是基于现今社会对于发展高效的能源、光电器件的产业需求。例如，对于太阳能产业，其中必须的一个元件就是透明电极。而如何获取近乎完美的高电导高透明的金属结构则是当前诸多光电领域的一个核心问题。
为了获得高电导高光透明的金属材料，国内外研究机构发展了多种方法，但往往都有其不可避免的局限。例如，传统的基于表面等离激元共振效应的打孔的金属膜层结构，虽然相对于原来不透明的金属膜层，透射光的强度有了一定的增强，但光谱上则局限于单一的波长。这是由于此类体系是基于窄带的表面等离激元极化模式的激发及其与光场的耦合输入与输出。近期，通过把金属膜层构建为蜂窝状的空气孔阵列结构，其中空气孔在金属膜层结构中的占空比达到80%以上也可以实现宽波段高光透射效果。但是，这样获得光透明是建立于大幅度削弱原本金属膜层导电特性的基础上的。此外，通过基于等离激元诱导的金属透明（Plasmon-induced transparency）也获得了广泛关注。然而，此类体系，由于结构本身的不同金属模块之间的耦合需求，因而导致金属结构是离散而非平整连续的。因此，在电学特性上无疑导致了低的导电特性。近些年，通过利用金属纳米线或其他导电材料来构建金属-聚合物复合膜层来获取透明电极或透明金属材料的报道也很多。但是，在寻求宽波段光高透射性能时，该结构体系也存在一些亟需解决的难题，如材料膜层的平整度和稳定性，纳米线、管等的随机分布以及材料制备的可重复性等问题。例如，有理论和实验研究表明，基于金属纳米线网格透明电极材料模拟有机发光二极管在较低工作电压下的充电传输实验时，发现在网格交叉支点以及其他电流传输端口会产生很强的焦耳热，导致电极在充电工作很短时间后即失效的严重问题。综述所述，当前的研究体系都难以同时获得高的电导和高光透明特性，而往往是以牺牲金属膜层的电学特性来增强它的光学透明响应。
因此，设计并实现具有宽波段光透明且易于实验制备的连续金属膜层结构对于解决现有研究报道体系所面临的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种具有宽波段光透明的连续金属膜结构体系的实现方法。
本发明的宽波段光透明的连续金属膜结构，一种宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于连续金属膜结构的光学波段宽波段光透明及其由常规物理沉积方法和胶体自组装法即可获得大面积制备的低成本的金属晶体结构与介质微腔耦合的连续金属膜结构自下而上依次由平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）组成。
所述平整介质膜层（1）的厚度为不小于20 nm。
所述平整介质膜层（1）的材料为玻璃、石英、氧化铝、硅、砷化镓等介质材料。
所述平整金属膜（2）的材料为铜、铝、钨、银或金等金属材料。
所述平整金属膜层（2）的厚度为不小于10 nm。
所述金属颗粒阵列层（3）的材料为铜、铝、钨、银或金等金属材料。
所述金属颗粒阵列层（3）的结构为通过胶体自组织法获得金属或金属/介质核壳型纳米颗粒组成的周期性结构。
所述的金属膜层以及金属纳米阵列的成分包括铜、铝、金、银、钨中的一种，介质材料可以是硅、二氧化硅、聚合物、氧化铝等中的一种。所述的金属膜层厚度不小于10纳米，可以根据所需要的透光强度决定。介质膜层厚度从20纳米到无限大范围变化，可以实现不同波段的宽波段光透明效应。金属颗粒阵列层由周期性排列的金属球或方块等结构组成。颗粒的大小和阵列周期以及环境介电常数可以连续调控，从而调控光透明的频段从可见波段到红外波段范围。
本发明所述的具有宽波段光透明的连续金属膜结构体系的实现方法包括以下步骤：
（1）通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积平整介质膜层；
（2）在步骤（1）中所得的金属膜层上通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积平整连续金属膜层；
（3）利用胶体自组装方法在（2）中获得的结构上构建金属纳米颗粒周期性排列的金属颗粒阵列结构层。
在步骤（1）中，所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片或有机膜。
在步骤（1），（2）中，所述的物理或化学沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。
本发明的技术效果：
其一：与以往的基于金属光栅结构耦合实现的窄带光透射增强效应相比，利用本发明涉及的具有宽波段光透明的连续金属膜结构，在技术上同时实现了高光透明（透射率达98%）以及宽波段（透射率超过90%时带宽超过300 nm）。其二：本发明的结构体系具有非常简单而容易的操作方法，仅需要利用标准的镀膜仪器以及成熟的胶体自组装方法即可以实现器件的制备。其三：本发明的宽波段光透明的连续金属膜结构不仅结构简单，而且结构在空间维度上远小于波长量级，因而非常有利于结构的集成以及材料的节约和成本的控制。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：
图1是本发明设计的宽波段光透明的连续金属膜结构示意图。自下而上，依次为平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）。这里金属颗粒为银球，直径和阵列周期可以根据需要的光谱波段进行设置。平整介质膜层（1）的厚度也可以进行相应的改变从而匹配等离激元共振工作波长。
图2是对图2中本发明设计的宽波段光透明的连续金属膜结构在底层平整介质膜层为折射率为2.5（对应于二氧化钛材料）且厚度为80纳米，中间平整连续金属膜层为20纳米银以及上层金属颗粒阵列结构层为直径70纳米周期为75纳米时对应的各个体系的透射率光谱图。
图3是对图1中本发明设计的宽波段光透明的连续金属膜结构在改变参数时呈现的光透明光谱随结构参数增大而红移的光谱响应。
图4是本发明设计的宽波段光透明的连续金属膜结构在上层金属颗粒阵列结构层为直径70纳米周期为75纳米时改变底层平整介质膜层（折射率依然为2.5）的厚度呈现的光透明响应。
图5是本发明设计的宽波段光透明的连续金属膜结构随中间平整连续金属膜层在不同粗糙度下呈现的光谱响应。（a）和（b）分别为粗糙化的金属膜结构的侧面和俯视图。（c）图为结构光透明光谱随粗糙度改变的响应，图中插图为对应的金属膜层粗糙化模型。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本实施方式中的宽波段光透明的连续金属膜结构可以通过平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）这三层结构单元构成。
实施例1：
本实施方式中的宽波段光透明的连续金属膜结构自下而上依次由平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）组成（结构示意图如图2所示）。本实施方式中金属颗粒阵列结构层的结构示意图如图1所示。本实施方式中宽波段光透明的连续金属膜结构可广泛应用于宽波段透明金属电极、触摸感应显示等光电器件。
实施例2：
本实施方式采用银和二氧化钛两种材质，首先在载玻片上，采用磁控溅射镀膜方法沉积一层厚度为80 nm的二氧化钛膜；其次，在此二氧化钛膜衬底上采用同样的溅射方法镀上20纳米的银膜层；最后，通过采用胶体自组装法在金膜上构建金属颗粒阵列结构层，从而获得宽波段光透明的连续金属膜结构。经过采用光学透射模式测试裸银膜（2）、银膜-银球颗粒阵列结构层（2）+（3）、二氧化钛膜-银膜-银球颗粒阵列结构层（1）+（2）+（3）以及二氧化钛膜-银膜（1）+（2）等结构的光谱测试，可以获得如图3所示的光学透射光谱。可以发现，相比于几乎不透光的银膜，我们设计的基于介电膜层和金属等离激元共振阵列的膜层结构可以在一个宽波段获得透过率超过90%的优越光学性能。结合平整金属膜层本身内在完美的电导特性，我们设计发明的宽波段光透明的连续金属膜层结构可以同时获得近乎完美的光、电特性。
实施例3：
本实施方式将上述实施例2中得到的宽波段光透明的连续金属膜层结构的几何参数进行调控，获得了本设计的宽波段光透明的连续金属膜层结构在不同结构参数下的光学响应。如图3所示，通过改变银球的直径、银球阵列的周期以及二氧化钛膜层的厚度参数，可以在不同波段范围实现光透射率达98%的光谱。随着结构参数的增大，宽波段光透明谱线呈现了明显的光谱红移。因此，对于本发明设计的结构可以在不同光谱范围内呈现宽波段光透明响应。
实施例4：
本实施方式将上述实施例2中得到的宽波段光透明的连续金属膜层结构中的二氧化钛膜层的厚度参数进行调控，获得了本设计的宽波段光透明的连续金属膜层结构在不同地层光学微腔参数下的光学响应。如图4所示，通过改变二氧化钛膜层的厚度参数，宽波段光透明现象只在某些频带出现。这些特定的光谱频带与实施例2中的银膜-银球颗粒阵列结构层（2）+（3）的光谱响应范围一致。由此可见，我们设计发明的宽波段光透明的连续金属膜层结构的光学性能是基于金属颗粒阵列与光学微腔膜层这两者对于光场的耦合效应，只有在这两种共振体系的工作波长比较匹配时才可以获得完美的光透明性能。
实施例5：
本实施方式将上述实施例2中得到的宽波段光透明的连续金属膜层结构中的银膜层进行粗糙化处理，获得了本设计的宽波段光透明的连续金属膜层结构在不同银膜层粗糙化参数下的光学响应。如图5所示，通过在银膜层上构建空气孔以及银点等缺陷结构，并测试随银膜粗糙化程度变化的光透射的变化。这里粗糙度定义为空气孔或银点的直径与银膜厚度的比值。在我们设计的结构中，发现只有粗糙度非常大（超过50%）才会比较明显地影响到结构的宽波段光透明效应。因此，对于本发明设计的结构可以在非常大的结构容差范围内保持良好的宽波段光透明响应。
Claims (8)
1.一种宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于连续金属膜结构的光学波段宽波段光透明及其由常规物理沉积方法和胶体自组装法即可获得大面积制备的低成本的金属晶体结构与介质微腔耦合的连续金属膜结构自下而上依次由平整介质膜层（1）、平整连续金属膜层（2）和金属颗粒阵列结构层（3）组成。
2.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于平整介质膜层（1）的厚度为不小于20 nm。
3.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于平整介质膜层（1）的材料为玻璃、石英、氧化铝、硅、砷化镓等介质材料。
4.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于平整金属膜（2）的材料为铜、铝、钨、银或金等金属材料。
5.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于平整金属膜层（2）的厚度为不小于10 nm。
6.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于金属颗粒阵列层（3）的材料为铜、铝、钨、银或金等金属材料。
7.根据权利要求1所述的宽波段光透明的连续金属膜结构，其特征在于金属颗粒阵列层（3）的结构为通过胶体自组织法获得金属或金属/介质核壳型纳米颗粒组成的周期性结构。
8.一种权利要求1所述的一种宽波段光透明的连续金属膜结构的实现方法，其特征在于方法为：
（1）通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积平整介质膜层；
（2）在步骤（1）中所得的金属膜层上通过物理或化学沉积法在平整衬底表面沉积平整连续金属膜层；
（3）利用胶体自组装方法在（2）中获得的结构上构建金属纳米颗粒周期性排列的金属颗粒阵列结构层；
在步骤（1）中，所述平整衬底包括石英、玻璃、硅片或有机膜；
在步骤（1），（2）中，所述的物理或化学沉积方法包括真空镀膜法、金属热蒸发镀膜法、磁控溅射法、激光脉冲沉积法、原子层沉积法、化学镀方法、电化学方法中的一种或几种的混合方法。
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