CN113406810A - 一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片及其制备方法，包括镜片基片，镜片基片的表面自上而下依次排布可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层。该基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法，在生产制备镀薄膜时采用光学监控以及石英晶体监控方法对膜层厚度进行监控，所制备的镀膜膜层具有附着牢固、膜层结构致密、耐高低温及耐腐蚀的特点，该方法操作简单，便于批量生产，稳定性好及成品率高。该基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，兼具可见光全带宽高透射与基于表面等离激元共振可见光变色的双重功能等优点，发展潜力巨大，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于U型金属银薄膜周期阵列膜层界面等离激元共振技术领域，具体涉及一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片及其制备方法。
背景技术
表面等离子体(SPs)是一种由入射光在金属表面激发的近场波，具有场强增强、光场分布高度局域化和可沿金属表面传导的特性。在众多的金属材料中，基于金属银的吸收系数小，在可见光波段吸收损耗最小，且其介电常数在可见光区域实部为负，为用来实现表面等离激元与入射光频率相同时产生共振现象的理想材料。表面等离子体共振(SPR)具有金属纳米结构非常独特的光学特性，如表面光电场增强、表面增强光谱、增强拉曼散射、光透射增强、表面等离子体纳米波导、光学力增强、表面等离子体光催化、表面增强的能量转移及选择性光吸收等。当入射光强在介质与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与倏逝波的频率相等时，二者将发生共振，界面处的全反射条件将被破坏，呈现衰减全反射现象，入射光被金属表面自由电子吸收，使反射光能量急剧下降。
表面等离子体共振(SPR)为当光波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体共振振荡，产生表面等离子体激元波(SPP)，它们能够在金属纳米颗粒周围或者在平坦的金属表面传播，光波与金属表面的自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致，就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式，即电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象被称为表面等离子体共振(SPR)现象。
国际市面上并无生产基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片，尤其是眼镜镜片上未曾使用表面等离激元共振技术进行可见光变色。国际市面上没有开发出进行基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片，故市面上任何眼镜镜片都不具备基于表面等离激元共振可见光变色同时在可见光全带宽高透射视野的双重功能。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本申请提出一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片及其制备方法。
第一方面，本发明的实施例提出了一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，包括镜片基片，镜片基片的表面自上而下依次排布可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层。
在一个优选的实施例中，二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的厚度为10nm～30nm。
在一个优选的实施例中，二氧化硅打底层的厚度为2nm～10nm。
第二方面，本发明的实施例提出了一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在镜片基片上进行离子辅助轰击电子束蒸镀沉积二氧化硅打底层；
步骤S2：每个镜片基片上夹附掩模板，在二氧化硅打底层上进行电子束蒸镀沉积二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层结构；
步骤S3：最后取掉掩模板，再进行离子束辅助沉积电子束蒸镀可见光全带宽增透膜层。
在一个优选的实施例中，掩模板的光学中心区采用激光干涉直写亚波长尺度的U型纳米尺寸开区镂空结构。
在一个优选的实施例中，掩模板的开区镂空D(宽)的范围为50nm～80nm，L(长)的范围为50nm～80nm，H(高)的范围为1μm～3μm，单元周期的范围为300nm～480nm。
在一个优选的实施例中，步骤S2中二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的蒸束流沉积速率为0.1nm/s～1.0nm/s。
在一个优选的实施例中，步骤S3中的可见光全带宽增透膜膜层包括五氧化三钛膜层和二氧化硅膜层，二氧化硅膜层的沉积速率为0.2nm/s～3.0nm/s，五氧化三钛膜层的沉积速率为0.3nm/s～5.0nm/s。
本发明的一种基于表面等离激元共振的可见光变色眼镜镜片，其结构中设计二维纳米U型银金属薄膜阵列结构进行表面等离激元共振可见光变色，整体膜层总结构自上而下构成三层如下：可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层。该基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片的制备方法，开发出掩模板上设计亚波长尺度的U型开区镂空结构，即掩模片事先进行激光干涉直写亚波长尺度的U型开区镂空结构。在镜片基片上沉积二氧化硅打底层后，每个镜片再夹附上此特殊掩模板进行电子束蒸镀沉积二维纳米U型银金属薄膜阵列周期结构膜层，然后，最外层再进行离子束辅助沉积(IBAD)电子束蒸镀可见光全带宽增透膜层。在蒸镀膜层的过程中，导入光学等效导纳值的调节，采用严格的耦合波方法，优化出可见光全带宽增透膜系及表面等离激元共振的二维纳米U型银金属薄膜阵列膜系。该方法开发的绝缘体-金属-绝缘体(Dielectric-Metal-Dielectric，D-M-D)形态的表面等离子体激元的产生界面，制作过程为以掩模板法蒸镀沉积二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层进行在外加光场的作用下通过电位对金属电极费米能级的调控，实现对表面等离激元共振(SPR)能量的调控，从而调节表面等离激元共振(SPR)弛豫产生热电子和热空穴的能量，增强表面等离激元共振(SPR)化学反应的光电协同机制，调控金属纳米结构(NPs)光电化学界面反应的选择性和效率。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片总膜层形态结构示意图；
图2是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片制备方法中掩模板上U型纳米镂空区域尺寸结构示意图；
图3是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法流程图；
图4是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片上沉积二维纳米金属银薄膜U型纳米阵列膜层结构的光学显微图及局部放大图；
图5是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的可见光波段中的可见光随着入射波长的变化共振衍射场增强效率曲线示意图；
图6是本发明的实施例的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的耦合效率与入射光场角度的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合附图1对本发明作详细的介绍，本发明的一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，包括镜片基片，镜片基片的表面自上而下依次排布可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层。
本发明的一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的工作原理为：当光波入射到金属材料纳米阵列表面时，光和金属纳米膜层中自由电子的相互作用能够增强自由电子的集体振动，如果自由电子振动频率与入射波的频率一致，外界光场就会被集体振动的自由电子俘获，消光效率会大幅增加，使得金属材料纳米阵列表面自由电子与外界光电子耦合形成一种特殊的电磁模式，在相应的波段会出现局域表面等离子共振峰，进而产生辐射增强的效果。当光波的频率与等离子体激元的频率和波数吻合时，便可激发表面等离子共振(SPR)，入射光波强度急剧衰减，显示为共振吸收峰，当表面等离子体共振和入射光波的频率和波矢同时相等时，激发了表面等离子体共振，这时二者将发生能量耦合，发生共振。
表面等离子体共振(SPR)乃当光波入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，光波与金属表面的自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波，当自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致，就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成了一种特殊的电磁模式，即电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象被称为表面等离子体共振现象(SPR)，表面等离激元共振(SPR)效应用于调控表面反应，可以进一步提高反应效率和选择性。
图2为基于表面等离激元共振的可见光变色镜片制备方法中掩模板上U型纳米镂空区域尺寸结构示意图，如图2所示，在掩模板的光学中心区采用激光干涉直写亚波长尺度的U型纳米尺寸开区镂空结构。掩模板的开区镂空D(宽)的范围为50nm～80nm，L(长)的范围为50nm～80nm，H(高)的范围为1μm～3μm，单元周期的范围为300nm～480nm，白色区域为掩模模板的镂空区域。
在具体的实施例中，镜片基片包括但不仅限于如下：光学镜片、太阳镜片的玻璃基材、聚碳酸酯PC基材、尼龙PA基材、CR-39基材、PMMA基材、AC亚克力基材、MR-7基材、MR-8基材、MR-10基材、MR-174基材及TAC偏光片基材中的任意一种。
图3为基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法流程图，如图3所示，本发明还提供一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：在镜片基片上进行离子辅助轰击电子束蒸镀沉积二氧化硅打底层，二氧化硅打底层的厚度为2nm～10nm，离子轰击时间为1min～5min，背景真空度为1×10-3Pa～9×10-3Pa，氧压为1×10-2Pa～8×10-2Pa；
步骤S2：采用掩模板技术法，在每个镜片基片上夹附掩模板，当进行电子束蒸镀沉积二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层结构时，膜料银金属蒸束流穿透掩模片上的亚波长U型镂空开区的区域后，在二氧化硅打底层上沉积二维纳米U型金属银薄膜阵列膜层结构，二维纳米U型金属银薄膜阵列膜层的膜厚为10nm～30nm，蒸束流沉积速率为0.1nm/s～1.0nm/s，所沉积的二维U型纳米金属银薄膜膜层结构的光学显微图及局部放大图如图4所示；
步骤S3：最后取掉掩模板，再进行离子束辅助沉积电子束蒸镀可见光全带宽增透膜层，可见光全带宽增透膜膜层的厚度为83nm～664nm，可见光全带宽增透膜膜层包括自上而下周期排布的低折射率二氧化硅膜层和高折射率五氧化三钛膜层，二氧化硅膜层的沉积速率为0.2nm/s～3.0nm/s，五氧化三钛膜层的沉积速率为0.3nm/s～5.0nm/s，可见光全带宽增透膜膜层的膜层周期数范围为1～8，停镀后再降温半小时之后充气真空室取出镜片。
在具体的实施例中，可见光全带宽增透膜膜层的中心波长为550nm，工作波长范围为420nm～780nm，在工作波长420nm～780nm内的平均反射率小于0.5％，透过率大于90％。
在具体的实施例中，镜片基片与蒸发源的距离为40cm～90cm，镜片基片的长晶温度为40℃～80℃，束流密度为100mA～120mA，工作时真空度为1×10-3Pa～9×10-3Pa，电子枪的功率为50％～80％，电子枪的阳极电压为100V～130V，阳极电流为3A～10A，阴极电压为20V～50V以及阴极电流为12A～20A。
图5为基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的可见光波段中的可见光随着入射波长的变化共振衍射场增强效率曲线示意图，如图5所示，该基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片，随着可见光入射波长的变化，共振衍射场增强效率也随着发生变化，导致这种变化的主要原因是二维纳米U型金属银薄膜阵列膜层结构中增加了横向纳米棒部分，此增加的横向纳米棒部分主要有三个作用：第一、连接两个纵向纳米棒，使纵向纳米棒上激发的横向表面等离子体(SPs)通过它桥接传播，产生表面等离子体(SPs)的干涉；第二、入射光垂直入射到横向纳米棒上会直接激发横向纳米棒上的纵向表面等离子体(SPs)，使得U型纳米结构比单纯平行纳米棒增加了一个纵向表面等离激元共振(SPR)模式，因此增加了共振峰值，形成在U型纳米结构中横向部分纳米棒的加入对表面等离子体(SPs)的激发起到主导作用；第三、当表面等离子体(SPs)传播到横向部分纳米棒时，由于有横向部分纳米棒的连接和反射作用，使得表面等离子体(SPs)又向上传播，从而使一直重复往返的表面等离子体(SPs)干涉而形成驻波，在二维纳米U型金属银薄膜结构与开口区填充的介质分界面一起构成了一个纳米微腔，而聚焦倏逝场的能量在此微腔中反复震荡叠加，此种利用U型纳米结构来将聚焦倏逝场在保持足够强度的条件下进行远距离传播，此技术在近场纳米波导、纳米传感、纳米光镊技术中有巨大潜在的应用价值。
在具体的实施例中，入射光场角度θ大于全反射角的光入射二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层表面时，产生隧穿介质-金属交界面的倏逝波，倏逝波沿二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的内交界面传播，当倏逝波的波矢量与表面等离子激元波的波矢量匹配时会激发表面等离激元共振(SPR)现象，使特定波长光的能量耦合到表面等离子激元，两波之间产生强相互作用。图6为基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的耦合效率与入射光场角度的关系图，如图6所示，当金属表面倏逝波波矢与表面等离子激元波矢相等时，两者将发生能量耦合，产生表面等离子体共振即SPR吸收，导致该波长处的反射光强急剧下降。
本发明的一种基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片，其结构中设计二维纳米U型银金属薄膜阵列结构进行表面等离激元共振可见光变色，整体膜层总结构自上而下构成三层如下：可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层，总体膜堆膜层厚度的范围为100nm～700nm。该基于表面等离激元共振可见光变色的眼镜镜片的制备方法，开发出掩模板上设计亚波长尺度的U型开区镂空结构，即掩模片事先进行激光干涉直写亚波长尺度的U型开区镂空结构。在镜片基片上沉积二氧化硅打底层后，每个镜片再夹附上此特殊掩模板进行电子束蒸镀沉积二维纳米U型银金属薄膜阵列周期结构膜层，然后，最外层再进行离子束辅助沉积(IBAD)电子束蒸镀可见光全带宽增透膜层。在蒸镀膜层的过程中，导入光学等效导纳值的调节，采用严格的耦合波方法，优化出可见光全带宽增透膜系及表面等离激元共振的二维纳米U型银金属薄膜阵列膜系。该方法开发的绝缘体-金属-绝缘体(Dielectric-Metal-Dielectric，D-M-D)形态的表面等离子体激元的产生界面，制作过程为以掩模板法蒸镀沉积二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层进行在外加光场的作用下通过电位对金属电极费米能级的调控，实现对表面等离激元共振(SPR)能量的调控，从而调节表面等离激元共振(SPR)弛豫产生热电子和热空穴的能量，增强表面等离激元共振(SPR)化学反应的光电协同机制，调控金属纳米结构(NPs)光电化学界面反应的选择性和效率。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，其特征在于，包括镜片基片，所述镜片基片的表面自上而下依次排布可见光全带宽增透膜膜层、二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层以及二氧化硅打底层。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，其特征在于，所述二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的厚度为10nm～30nm。
3.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片，其特征在于，所述二氧化硅打底层的厚度为2nm～10nm。
4.一种基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：在镜片基片上进行离子辅助轰击电子束蒸镀沉积二氧化硅打底层；
步骤S2：每个所述镜片基片上夹附掩模板，在所述二氧化硅打底层上进行电子束蒸镀沉积二维纳米U型金属银薄膜阵列膜层结构；
步骤S3：最后取掉所述掩模板，再进行离子束辅助沉积电子束蒸镀可见光全带宽增透膜层。
5.根据权利要求4所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的的制备方法，其特征在于，所述掩模板的光学中心区采用激光干涉直写亚波长尺度的U型纳米尺寸开区镂空结构。
6.根据权利要求5所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的的制备方法，其特征在于，所述掩模板的开区镂空D的范围为50nm～80nm，L的范围为50nm～80nm，H的范围为1μm～3μm，单元周期的范围为300nm～480nm。
7.根据权利要求4所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的的制备方法，其特征在于，步骤S2中所述二维纳米U型金属银薄膜周期阵列膜层的蒸束流沉积速率为0.1nm/s～1.0nm/s。
8.根据权利要求4所述的基于表面等离激元共振的可见光变色镜片的的制备方法，其特征在于，步骤S3中的所述可见光全带宽增透膜膜层包括五氧化三钛膜层和二氧化硅膜层，所述二氧化硅膜层的沉积速率为0.2nm/s～3.0nm/s，所述五氧化三钛膜层的沉积速率为0.3nm/s～5.0nm/s。
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