CN108957604A - 一种具有选择吸收的多层结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种具有选择吸收的多层结构。该结构由衬底上依次沉积的底金属层层1、中间介质层层2、以及顶部化合物薄层层3组成。通过合理设计各层的厚度配比，该结构对于波段在380nm~780nm的可见光具有反射作用，但对于该波段内的特定波长光具有完美吸收现象，从而呈现一定的色彩。同时化合物薄层与中间介质层形成多层的保护层，对衬底产生保护作用。该结构具有制备简单，色彩调节方便等优点，在多彩的灯具外壳、室外彩色防护等方面存在有益的应用。

Description

一种具有选择吸收的多层结构

技术领域

该发明属于呈现多种颜色的纳米结构色领域，特别是一种有助于实现具有耐磨、防护特性的可调色涂层结构。

背景技术

光波吸收结构是一种将特定波长的光波有效吸收后转化成欧姆热或其他形式能量的设备。主要是通过材料本身对光波的消耗和对光波的干涉，共振等物理作用实现对光波的吸收。传统的光波吸收结构由单一材料构成，具有本征高吸收性能，这类材料与光波的电场或磁场相互作用，将其能量转化为其他形式的能量来实现对光波的吸收。单一材料制备的光波吸收结构在全光谱范围内总的吸收率低且不能很好的定义光谱特征，因此从紫外区、可见光区、近红外区等范围的用途广泛的复合光波吸收结构被广泛研究。复合光波吸收结构可以实现在多光波范围的完美吸收，其原理一般是等离子体激元共振、介质导波模式和光谱相位耦合或相干等现象引起光波的共振吸收或捕获现象。MIM纳米吸收结构是由平面衬底上依次堆叠的光学金属层、中间介质层、以及顶部很薄的金属膜组成。光学金属层可以有效地对入射光波进行反射，并且足够厚阻止光波透过，这层一般是贵族金属，其界面沿着切线方向入射电磁波的电场部分为零。上层金属需要小于光波的穿透深度，确保入射光波能穿透进入到中间介质层，在介质层形成的光学腔内产生共振进而被吸收。近来，三层金属-氧化物-金属（MIM）的纳米结构被广泛用于实现光波长的完美吸收领域，通过改变结构参数，实现对各波段光的反射和吸收的有效调控，甚至获得对某一频率光波的完美吸收。因此，MIM结构可以用来制作结构色和滤波器。但是由于传统MIM结构其在室外应用过程中不可避免的会遭遇辐射、划刻等问题，从而影响整体美观，甚至影响衬底的耐久性。对于一些耐高温、高硬度的耐磨材料，虽然不同于金属，属于化合物材料，但是同样具有类似金属的等离子体特性，比如TiN，属于一种耐高温、耐磨的防护材料。目前对于TiN多采用单层制备使其仅具有防护功能。

发明内容

本发明提出了一种具有选择吸收的多层结构，通过在金-氧化锌-铝的三层MIM纳米结构中保持顶层超薄金层和铝层厚度不变，通过改变氧化锌层的厚度，实现对可见光范围内大部分波段光的完美吸收。这种结构的制备有助于实现结构色和滤波器。

本发明的技术方案是：

一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，基底上依次沉积的金属层1，电介质层2以及化合物层3。

所述的金属层1为Al, Cr, Ti, Ni, Au, Ag, Cu, Pt中的一种。

所述的电介质层2材料为ZnO, Si3N4, SiO2, TiO2, ZnS, SiC, AlN，Al2O3中的一种。

所述的化合物层3材料为TiN, ZrN中的一种。

所述的金属层1厚度不小于100 nm。

所述的电介质层2厚度在50 nm ~ 300 nm之间。

所述的化合物层3厚度在1 nm ~ 20 nm之间。

本发明的有益效果是：结构简单，通过简单地改变中间介质层厚度，可以制备出不同颜色的结构部件，且采用的外层和中间介质层材料防护特性明显。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明实施例1的一种具有选择吸收的多层结构示意图。

图3为本发明实施例1的反射光谱。

图4为本发明实施例2的多层结构示意图。

图5为本发明实施例2的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种具有选择吸收的多层结构进一步详细描述。图2为本发明的一种实施例，该实施例中金属层1为Cr，厚度为300nm。中间介质层2为TiO2，厚度为100nm。化合物层3为TiN，厚度为10nm。当太阳光从表面，也就是从化合物层3背离基底一侧入射时，光谱中在TiN中穿透深度大于10nm的波长可以穿透TiN层并耦合进入电介质层。TiN与底部Cr层以及中间所夹的电介质层TiO2构成法布里波罗微腔结构。当耦合进入电介质层2 TiO2中的电磁波波长刚好与该微腔的共振波长相匹配时，产生强烈的耦合吸收，从而多层结构的反射光谱中该波段呈现接近于零的反射率。图3为该结构的反射光谱，其反射光谱中波长为455nm时，反射率接近为零。根据减色原理，入射的太阳光在缺失波长会呈现与该波长对应颜色的补光，从而最终该多层结构在太阳光下呈现颜色。

实施例2为实施例1的一个简单变化。图4为实施例2的结构图。该实施例中金属层1为Cr，厚度为300nm。电介质层2为TiO2，厚度为150nm。化合物层3为TiN，厚度为10nm。该实施例中仅将实施例1中TiO2厚度增加为150nm。由于微腔的共振波长会随着TiO2的厚度改变而改变，因此在实施例2中产生与微腔共振耦合吸收的波长位置产生移动。图5为该结构的反射光谱，其反射光谱中波长为625nm时，反射率为零。从外观来看，多层结构反射太阳光后呈现不同的颜色，从而达到通过改变电介质层2 TiO2厚度实现不同颜色的目的。

Claims (7)

1.一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，基底上依次沉积的金属层1，电介质层2以及化合物层3。

2.根据权利要求1所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，所述的金属层1为Al, Cr, Ti, Ni, Au, Ag, Cu, Pt中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，所述的电介质层2材料为ZnO, Si3N4, SiO2, TiO2, ZnS, SiC, AlN, Al2O3中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，所述的化合物层3材料为TiN, ZrN中的一种。

5.根据权利要求2所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，所述的层1厚度不小于100 nm。

6.根据权利要求3所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，介质层层2的厚度在50 nm ~ 300 nm之间。

7.根据权利要求4所述的一种具有选择吸收的多层结构，其特征在于，层3的厚度在1nm ~ 20 nm之间。