CN111479458A - 一种基于层状倾斜ito纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件及其制备方法。该器件由自下而上依次叠加排列的三层倾斜的ITO纳米棒阵列构成，三层ITO纳米棒的倾斜角自下而上分别为14.6°、28.2°、45.8°，三层ITO纳米棒的半径自下而上依次减小，其中每层ITO纳米棒阵列厚度为200nm，每层ITO纳米棒阵列均呈六方晶格排列；通过电子束蒸发镀膜系统，在洁净的衬底上通过三个不同沉积角分别沉积ITO，样品退火后获得层状倾斜ITO纳米棒阵列结构。本发明制备的器件具有可见光波段的高透过率以及3‑5μm波段的高吸收率，可应用于窗口类隐身材料或相关器件领域，制备工艺简单，制备的器件面积大，易于大规模生产。

Description

一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外 吸波器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及窗口类吸波材料，具体涉及一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件及其制备方法，属于电磁吸波材料领域。
背景技术
3-5μm是中红外波段重要的一个大气窗口，诸多军事强国争相开发该窗口波段的激光雷达等军用装备，为了躲避激光雷达的追踪，在中红外波段尤其是窗口波段实现对电磁波的宽带吸收，成为国防安全领域的急需解决的重要任务。对于一些窗口类材料，如隐形战机的挡风玻璃、空军头盔等，除了需要满足在该波段具有良好的宽带吸波能力外，还要求在可见光波段具有高透过，以满足人眼观察的需要。所以，同时实现在可见光波段具有高透过和在中红外大气窗口波段具有完美吸收具有重要意义。
基于人工电磁材料的吸收器是近年来提出的一种新型吸波器。这种吸波材料的优点在于它对电磁波具有近乎完美的吸收能力，这一特性为在中红外大气窗口波段实现对电磁波的完美吸收提供了良机。基于渐变折射率方法的减反射膜是光学薄膜的一个重要组成部分，能够减小入射光的反射，增强入射光的折射。然而，目前已经报道的技术在中红外波段实现了良好的宽带吸收，在一些特定波段也实现了抗反射和高透过，但是，难以同时获得可见光波段的高透过和在中红外波段的良好吸收。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件，同时实现在可见光波段具有高透过和在中红外大气窗口波段具有良好吸收。
本发明的目的之二是提供一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，步骤简单。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件，该吸波器件由自下而上依次叠加排列的三层倾斜的ITO纳米棒阵列构成，三层ITO纳米棒的倾斜角自下而上分别为14.6°、28.2°、45.8°，三层ITO纳米棒的半径自下而上依次减小，其中每层ITO纳米棒阵列厚度为200nm，每层ITO纳米棒阵列均呈六方晶格排列。
本发明还提供上述基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的3-5μm中红外吸波器件的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：将洁净干燥的透明衬底置于电子束蒸发镀膜系统的样品台，将初始原料ITO置于电子束蒸发镀膜系统的蒸发源，设置电子束蒸发速率，利用倾斜角沉积方法，在衬底上依次进行40°、60°和80°三个不同沉积角度的沉积，每层沉积厚度为200nm；
步骤二：沉积结束后对样品进行退火处理，得到所述层状倾斜ITO纳米棒阵列结构。
优选的，步骤一中，所述初始原料为中红外等离激元共振纳米材料ITO，由90wt％In2O3和10wt％SnO2组成。
优选的，步骤一中，所述透明衬底选用玻璃。
优选的，步骤一中，沉积角为40°时电子束蒸发速率为6.67nm/min，沉积角为60°时电子束蒸发速率为5.92nm/min，沉积角为80°时电子束蒸发速率为5.17nm/min。
优选的，步骤二中，沉积结束后样品在550℃、1atm的环境下退火30min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明制备的中红外吸波器件同时实现了可见光波段的高透过和在中红外波段的良好吸收，在3-5μm波段吸收率～85％，且在可见光区透过率～85％，为窗口类吸波材料结构的设计提供了新的思路。
(2)本发明制备的中红外吸波器件几何结构简单，制备周期短，有利于大批量工业化生产，在隐身材料、电磁兼容等领域有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明制备可见光透明的中红外吸波器件工艺流程图。
图2为排布第一层ITO纳米棒阵列示意图。
图3为排布第二层ITO纳米棒阵列示意图。
图4为本发明制得的中红外吸波器件示意图。
图5为本发明制得的中红外吸波器件可见光波段透过率谱图。
图6为本发明制得的中红外吸波器件中红外波段吸收率谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
以下实施例中所使用的氧化铟锡ITO(10％)，纯度≥99.99％，粒径为1-3mm，其中化学组成In2O3：SnO2＝90:10(wt％)。
制备三层状倾斜ITO纳米棒阵列的工艺流程如图1所示。
(a)将10mm*10mm*1.2mm的透明玻璃衬底置于酒精中进行超声清洗2至3次，烘干备用；
(b)将初始原料ITO放入电子束蒸发镀膜系统的蒸发源坩埚中，将步骤(a)所得干燥洁净的玻璃衬底置于电子束蒸发镀膜系统的样品台上；
(c)在镀膜系统的真空度达到镀膜条件后，设置电子束蒸发速率为6.67nm/min，设置沉积角为40°，按±5°摆动，摆动速度为1°/sec，利用倾斜角沉积方法在玻璃衬底上进行第一层ITO纳米棒阵列的沉积，如图2所示；
(d)第一层沉积厚度达到要求的200nm后，设置电子束蒸发速率为5.92nm/min，设置沉积角为60°，按±5°摆动，摆动速度为1°/sec，利用倾斜角沉积方法在第一层ITO纳米棒阵列上进行第二层ITO纳米棒阵列的沉积，如图3所示；
(e)第二层沉积厚度达到要求的200nm后，设置电子束蒸发速率为5.17nm/min，设置沉积角为80°，按±5°摆动，摆动速度为1°/sec，利用倾斜角沉积方法在第二层ITO纳米棒阵列上进行第三层ITO纳米棒阵列的沉积，如图4所示；
(f)第三层沉积厚度达到要求的200nm后，对样品在550℃、1atm条件下进行退火处理，得到层状倾斜ITO纳米棒阵列器件。
如图5所示，本实施例制得的层状倾斜ITO纳米棒阵列器件在波长350nm至800nm的可见光波段内的透过率～85％。
如图6所示，本实施例制得的层状倾斜ITO纳米棒阵列器件在3-5μm的中红外波段的吸收率～85％。
倾斜角沉积过程中随着物质的不断积累，成核的区域点逐渐生长，没有成核的区域则被遮挡形成间隙，从而形成有序的纳米结构阵列。随着倾斜角逐渐变大，物质原子成核的纳米结构逐渐变小，因而ITO纳米棒半径自下而上逐渐变小。
本发明中所选用的材料ITO在可见光范围内，其复折射率中的消光系数小，从而使得ITO材料在可见光范围内透明。采用的结构为层状倾斜ITO纳米棒阵列，每层ITO纳米棒的倾斜角度不同，使得不同层倾斜角纳米棒的等效折射率不同，倾斜角度越大等效折射率越小，满足了折射率的渐变，从而实现透过率增强。在中红外波段，ITO为等离激元材料，是一种直接跃迁宽禁带n型半导体材料。中红外光在层状倾斜ITO纳米棒阵列中传输时，激发ITO中载流子振荡，发生共振吸收现象，多层纳米棒阵列结构会激发多模式的振荡吸收，从而产生较宽带的中红外光吸收。
综上，本发明制得的吸波器件同时实现了可见光波段的高透过和在中红外波段的良好吸收，且几何结构简单，制备周期短，有利于大批量工业化生产，在隐身材料、电磁兼容等领域有重要的应用价值。
制得注意的是，为制备性能良好的可见光高透的中红外吸波结构，层状倾斜ITO纳米棒阵列结构至少为三层，四层及以上的层状倾斜ITO纳米棒阵列结构中每层的倾斜角度需要自下而上逐渐增大。

Claims (6)

1.一种基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件，其特征在于，所述吸波器件由自下而上依次叠加排列的三层倾斜的ITO纳米棒阵列构成，三层ITO纳米棒的倾斜角自下而上分别为14.6°、28.2°、45.8°，三层ITO纳米棒的半径自下而上依次减小，其中每层ITO纳米棒阵列厚度为200nm，每层ITO纳米棒阵列均呈六方晶格排列。
2.一种权利要求1所述的基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将洁净干燥的透明衬底置于电子束蒸发镀膜系统的样品台，将初始原料ITO置于电子束蒸发镀膜系统的蒸发源，设置电子束蒸发速率，利用倾斜角沉积方法，在衬底上依次进行40°、60°和80°三个不同沉积角度的沉积，每层沉积厚度为200nm；
步骤二：沉积结束后对样品进行退火处理，得到所述层状倾斜ITO纳米棒阵列结构。
3.根据权利要求2所述的基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述初始原料为中红外等离激元共振纳米材料ITO，由90wt％In2O3和10wt％SnO2组成。
4.根据权利要求2所述的基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，其特征在于，步骤一中，所述透明衬底选用玻璃。
5.根据权利要求2所述的基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，其特征在于，步骤一中，沉积角为40°时电子束蒸发速率为6.67nm/min，沉积角为60°时电子束蒸发速率为5.92nm/min，沉积角为80°时电子束蒸发速率为5.17nm/min。
6.根据权利要求2所述的基于层状倾斜ITO纳米棒阵列的可见光高透过的中红外吸波器件的制备方法，其特征在于，步骤二中，沉积结束后样品在550℃、1atm的环境下退火30min。
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