CN108594340A - 一种广角宽谱柔性减反射薄膜及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及减反射薄膜，特别涉及一种广角宽谱柔性减反射薄膜及制备方法；这种广角宽谱柔性减反射薄膜包括柔性基底、位于基底表面的纳米结构间隔层和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜，所述纳米结构间隔层为由直径不等的分离单元组成的纳米结构阵列；这种广角宽谱柔性减反射薄膜利用纳米间隔层中的纳米单元形成不同尺寸的纳米金属颗粒，从而能够与不同的入射波长形成表面等离子共振，降低反射；分离的纳米结构单元使得薄膜对入射光角度的敏感性显著降低；该减反射薄膜不仅可以作为增透膜，还可以作为光热吸收薄膜；该减反射薄膜的制备方法简单，无需后续的退火处理，扩大了应用范围，简化了生产流程，重复性好，适合于工业化生产。

Description

一种广角宽谱柔性减反射薄膜及制备方法
技术领域
本发明涉及减反射薄膜，特别涉及一种广角宽谱柔性减反射薄膜及制备方法。
背景技术
在光学元件、光电器件和光热装置中，表面反射是影响这些元器件和装置性能的一个重要因素。由于反射率会随着入射光角度和入射光波长变化，因此广角和宽谱的减反射薄膜就显得尤为重要。近年来，随着柔性光电子技术的发展，表面可弯曲的器件越来越多，也要求减反射薄膜在弯曲的情况下也能具备良好的性能。
虽然传统的减反射薄膜可以通过采用多层薄膜结构来获得宽波段的减反射效果，但多层薄膜结构的设计方法复杂，并且在寻找合适折射率的材料方面存在困难，再加上反射率对入射光的角度敏感，倾斜入射光的反射率较高，难以满足新型柔性器件的要求。
近年来表面等离子激元出现给减反射薄膜的设计带来了新的思路。但是研究的结果表明，其减反射性能仅适用于能够与纳米金属颗粒产生共振的较窄的波段，在较宽的波段范围内其减反射的效果并不好。
中国专利CN201210350141公开了一种用于黑硅的宽波段减反射方法，包括以下步骤：1)在黑硅表面上制备一层中间层，其中所述黑硅为具有陷光结构的硅；2)在步骤1)得到的中间层上沉积金属纳米颗粒，该金属纳米颗粒为不连续的或互不接触；3)对步骤2)得到的产物进行退火处理。该方法只能用于黑硅表面，材料的选择具有局限性；且制备方法繁琐，需要采用腐蚀、真空沉积和退火一系列工艺。而且，由于需要退火工艺，无法用于有机材料制备的柔性基底。
中国专利CN201510995619公开了一种透明柔性减反射薄膜制造方法，技术特征包括：1)采用压印技术以及表面修饰技术在透明柔性基底上加工出具有微米尺寸的立体图形结构；2)制作微米尺寸的立体图形结构需要用到固化胶；3)加工时需要加热到一定温度。该方法制备的微米结构的形状尺寸整齐划一，使得其减反射效果只体现在一个较窄的波长范围内和特定的入射角，应用范围小。而且，由于制备过程中需要加热，也限制了基底材料的选择范围。
发明内容
本发明解决现有技术中存在的上述技术问题，提供一种广角宽谱柔性减反射薄膜及制备方法。
为解决上述问题，本发明的技术方案如下：
一种广角宽谱柔性减反射薄膜，包括柔性基底、位于基底表面的纳米结构间隔层和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜，所述纳米结构间隔层为具有不同直径的分离单元组成的纳米阵列。
所述广角宽谱柔性减反射薄膜利用纳米间隔层中的的纳米单元形成不同尺寸的纳米金属颗粒，从而能够与不同的入射波长形成表面等离子共振，降低反射；分离的纳米结构单元使得薄膜对入射光角度的敏感性显著降低；而且不会产生传统薄膜因弯曲而带来的薄膜断裂问题。
优选地，所述纳米结构间隔层为柱状、台状、“之”字状或螺旋状的纳米阵列。
优选地，所述纳米结构间隔层的厚度为10nm-100nm。
优选地，所述纳米结构间隔层中每个分离单元的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm。
优选地，所述纳米结构间隔层的材料是二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化镁、硅中任意一种或几种的混合。
优选地，所述金属薄膜的厚度为1nm-15nm。
优选地，形成所述金属薄膜的金属颗粒的尺寸小于50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。单个金属颗粒可以位于一个间隔层单元上方，也可以同时位于多个间隔层单元上方。
优选地，所述金属薄膜的材料是金、银、铜、铝中任意一种或几种的合金。
优选地，所述基底材料为导体；基底材料为导体时，可以使入射光线在基底与纳米间隔层上部的金属颗粒之间来回反射，增加基底对入射光能量的吸收，起到光热吸收层的作用，加热基底自身或其下方的其他物体。
一种广角宽谱减反射薄膜的制备方法，利用电子束真空蒸发镀膜法的斜角沉积技术在基底上蒸镀10nm-100nm的间隔层，然后在间隔层上用热蒸发真空镀膜方法或磁控溅射镀膜方法制备1nm-15nm的金属薄膜。
金属薄膜不需要经过退火工艺，蒸镀后直接形成大小不一、形状不同、间隙不等的纳米金属颗粒。在金属薄膜的制备过程中，纳米结构间隔层不同的表面形貌影响金属薄膜的成膜过程，使其呈现出多样的形貌。主要表现为，金属颗粒的形状不同，结构不同，大小不一。
相对于现有技术，本发明的优点如下，
(1)这种广角宽谱减反射薄膜由于不再是连续的薄膜，而是分离的纳米结构，所以在入射角度从0℃-90℃的范围内和入射波长从300-4000nm的范围内，不仅在平面基底上的反射率明显低于传统减反射薄膜，而且在柔性可弯曲的基底上也可以获得明显的减反射效果。
(2)该减反射薄膜的制备十分简单，没有复杂昂贵的制备纳米结构常用的光刻工艺，简化了生产流程，降低了生产成本，重复性好，可大面积生产。
(3)由于金属颗粒的形成无需退火处理，整个制备过程没有高温，可以应用于更广泛的基底材料和基底表面，包括有机透明基底。
(4)可以反复弯曲，其性能不受太大影响。
(5)当该减反射薄膜的基底材料为导体时，可以使入射光线在基底与纳米间隔层上部的金属颗粒之间来回反射，增加基底对入射光能量的吸收，起到光热吸收层的作用，加热基底自身或其下方的其他物体。
附图说明
图1为间隔层为柱状的结构示意图；1为金属薄膜，2为柱状阵列，3为可弯曲柔性基底。
图2为间隔层为台状的结构示意图；1为金属薄膜，2为台状阵列，3为可弯曲柔性基底。
图3为间隔层为“之”字状的结构示意图；1为金属薄膜，2为“之”字状阵列，3为可弯曲柔性基底。
图4为间隔层为螺旋状的结构示意图；1为金属薄膜，2为螺旋状阵列，3为可弯曲柔性基底。
图5为实施例1减反射薄膜的SEM图。
图6为实施例1减反射薄膜的减反射曲线。
图7为对比例2减反射薄膜的减反射曲线。
具体实施方式
实施例1：
如图1的结构，一种广角宽谱柔性减反射薄膜，包括柔性基底3、位于基底表面的纳米结构间隔层2和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜1；所述柔性基底为可弯曲的聚酰亚胺，所述纳米结构间隔层为具有不同直径的分离单元组成的二氧化硅柱状纳米阵列，所述金属薄膜为金属银薄膜。
上述广角宽谱柔性减反射薄膜的制备方法为：在可弯曲的聚酰亚胺表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备粗细间隙不同的纳米柱阵列，纳米柱阵列的材料是二氧化硅；厚度为10nm；所述纳米柱单元的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm；
然后再在纳米柱顶端采用热蒸发真空镀膜方法制备厚度为1nm纳米的金属银薄膜，所形成的金属颗粒的尺寸小于50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。
制备的纳米结构广角宽谱减反射薄膜SEM图如图5所示，减反射曲线如图6所示。
实施例2：
如图2的结构，一种广角宽谱柔性减反射薄膜，包括柔性基底3、位于基底表面的纳米结构间隔层2和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜1；所述柔性基底为弯曲的玻璃，所述纳米结构间隔层为具有不同直径的分离单元组成的二氧化钛台状纳米阵列，所述金属薄膜为金属金薄膜。
上述广角宽谱柔性减反射薄膜的制备方法为：在弯曲的玻璃表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备粗细间隙不同的纳米台阵列，纳米台阵列的材料是二氧化钛；厚度为50nm；所述纳米台单元的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm；
然后再在纳米台顶端采用磁控溅射镀膜方法制备厚度为10nm纳米的金属金薄膜，所形成的金属颗粒的尺寸小于50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。
实施例3：
如图3的结构，一种广角宽谱柔性减反射薄膜，包括柔性基底3、位于基底表面的纳米结构间隔层2和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜1；所述柔性基底为柔性的塑料，所述纳米结构间隔层为具有不同直径的分离单元组成的氮化硅“之”字状纳米阵列，所述金属薄膜为金属铝薄膜。
上述广角宽谱柔性减反射薄膜的制备方法为：在柔性的塑料表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备粗细间隙不同的“之”字状纳米柱阵列，“之”字状纳米柱阵列的材料是氮化硅；厚度为100nm；所述“之”字状纳米柱的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm；
然后再在“之”字状纳米柱顶端采用磁控溅射镀膜方法制备厚度为15nm纳米的金属铝薄膜，所形成的金属颗粒的尺寸小50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。
实施例4：
如图4的结构，一种广角宽谱柔性减反射薄膜，包括柔性基底3、位于基底表面的纳米结构间隔层2和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜1；所述柔性基底为可弯曲的金属薄片，所述纳米结构间隔层为具有不同直径的分离单元组成的硅螺旋状纳米阵列，所述金属薄膜为金属铝薄膜。
上述广角宽谱柔性减反射薄膜的制备方法为：在可弯曲的金属薄片表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备粗细间隙不同的螺旋状纳米柱阵列，螺旋状纳米柱阵列的材料是硅；厚度为100nm；所述螺旋状纳米柱的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm；
然后再在螺旋状纳米柱顶端采用磁控溅射镀膜方法制备厚度为15nm纳米的金属铝薄膜，所形成的金属颗粒的尺寸小于50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。
实施例5：
将实施例4中制备的薄膜贴合在金属铜管的外表面，可以利用该薄膜降低入射光的反射，增加基底对入射能量的吸收，使其温度上升，加热铜管内部的水。
对比例1：
在柔性的塑料表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备的纳米柱阵列，纳米柱阵列的材料是二氧化硅；厚度为50nm；所述纳米柱的直径为100nm，相邻单元间隙小于50nm；
然后再在二氧化硅薄膜表面采用磁控溅射镀膜方法制备厚度为10nm纳米的金属银薄膜，所形成的金属颗粒尺寸大于100nm,其最低反射率高于10％，远大于直径在50nm以下的纳米柱阵列结构。而且在经过多次弯曲之后，表面会出现裂纹，影响减反射效果。
对比例2：
在柔性的塑料表面上，采用电子束真空蒸发镀膜方法制备的纳米柱阵列，纳米柱阵列的材料是二氧化硅；厚度为50nm；所述纳米柱的直径小于50nm，相邻单元间隙小于50nm；
然后再在二氧化硅薄膜表面采用磁控溅射镀膜方法制备厚度为30nm纳米的金属银薄膜，在间隔层上方形成一层连续的薄膜，无法形成尺寸不等的金属颗粒。其最低反射率高于30％，远大于金属银薄膜厚度为10nm的阵列结构。如图7所示。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，包括柔性基底、位于基底表面的纳米结构间隔层和位于纳米结构间隔层上方的金属薄膜，所述纳米结构间隔层为直径不等的分离单元组成的纳米阵列。
2.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述纳米结构间隔层为柱状、台状、“之”字状或螺旋状的纳米阵列。
3.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述纳米结构间隔层的厚度为10nm-100nm，纳米结构间隔层的单元的直径小于50nm，相邻单元的间隙小于50nm。
4.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述纳米结构间隔层的材料是二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、氟化镁、硅中任意一种或几种的混合。
5.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述金属薄膜的厚度为1nm-15nm。
6.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，形成所述金属薄膜的金属颗粒的尺寸小于50nm，相邻金属颗粒的间隙小于50nm。
7.如权利要求6所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述金属颗粒的尺寸大小不一。
8.如权利要求1所述的广角宽谱柔性减反射薄膜，其特征在于，所述基底材料为导体。
9.如权利要求8所述的广角宽谱柔性减反射薄膜用作光热吸收薄膜。
10.如权利要求1-8任一项所述的广角宽谱柔性减反射薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：利用电子束真空蒸发镀膜法的斜角沉积技术在基底上蒸镀10nm-100nm的间隔层，然后在间隔层上用热蒸发真空镀膜方法或磁控溅射镀膜方法制备1nm-15nm的金属薄膜。
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