CN114265134A - 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 - Google Patents
一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114265134A CN114265134A CN202210078403.2A CN202210078403A CN114265134A CN 114265134 A CN114265134 A CN 114265134A CN 202210078403 A CN202210078403 A CN 202210078403A CN 114265134 A CN114265134 A CN 114265134A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- metal
- dielectric
- periodic structure
- layer
- inverted cone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 title claims abstract description 72
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims abstract description 58
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 151
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 151
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims abstract description 92
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims abstract description 44
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 77
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 30
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 18
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 12
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 9
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 5
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 claims description 5
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 2
- ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L magnesium fluoride Chemical compound [F-].[F-].[Mg+2] ORUIBWPALBXDOA-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 2
- 229910001635 magnesium fluoride Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 15
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 5
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- BPYMJIZUWGOKJS-UHFFFAOYSA-N [Ge].[Ag] Chemical compound [Ge].[Ag] BPYMJIZUWGOKJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- SAOPTAQUONRHEV-UHFFFAOYSA-N gold zinc Chemical compound [Zn].[Au] SAOPTAQUONRHEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 229910000601 superalloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法，微纳结构包括连续相接的基体、反射体和吸收体；基体材料为电介质或金属；反射体为金属层，覆盖在基体上方；吸收体位于反射体上方，是由金属层和电介质层交叠形成的倒锥周期结构或者排列式多尺度共面单元周期结构；其中，倒锥周期结构是由若干倒锥单体呈矩阵周期性排列而成的结构，倒锥单体由至少两组金属层和电介质层交叠形成，顶层为金属层；排列式多尺度共面单元周期结构为连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构或者非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构。本发明所公开的等离子体宽带选择性吸收微纳结构，可用于红外隐身和辐射冷却的兼容设计。
Description
技术领域
本发明属于红外隐身领域，涉及一种具有红外隐身性能的结构，尤其涉及一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法。
背景技术
随着红外探测技术发展，军事目标的红外隐身问题日益突出，因此研究红外隐身技术，通过各种技术手段来改变目标的可探测性，降低探测系统识别锁定目标的能力，对于提高军事竞争力至关重要。由Stefan-Boltzmann定律，物体的总辐射能与物体平均发射率一次方、绝对温度的四次方成正比，因此降低物体平均发射率和温度是提高红外隐身能力的关键。按作用原理分：国内外广泛采用低红外发射率涂层(Infrared Physics&Technology,2018,92:234-239)、光子晶体(Optical Materials,2021,111:110689)、阻抗匹配薄膜(Nature Communications,2020,11:2161)、电磁谐振微结构(ACSAppl.Mater.Interfaces,2020,12:43090-43097)等来调控红外波段电磁辐射，从而实现红外隐身。电磁谐振微结构是金属(Metal)-电介质(Dielectric)-金属(Metal)组成的三明治微结构，构成一种典型的等离子共振单元。结构在特定波段激发出局域等离子体，实现近场增强，从而强化该波段电磁波吸收/辐射。中科院研究生院Qiuqun Liang等(Adv.OpticalMater,2013,1:43-49)利用电磁谐振结构设计了正锥结构宽带(1-14μm)电磁波吸收/辐射微纳结构；浙江大学光电与电磁研究中心Sailing He等(Progress In ElectromagneticsResearch,2014,147:69-79)设计并通过薄膜沉积和聚焦离子束铣削结合制造了仅15×15μm大小的正锥结构宽带(0.5-2.5μm)电磁波吸收/辐射微纳结构；澳大利亚斯威本科技大学科学工程与技术微光子学中心Md Muntasir Hossain等(Adv.Optical Mater,2015,3:1047-1051)设计并通过电子束光刻和电子束蒸镀相结合制造出圆台型宽带选择性(8-14μm)电磁波吸收/辐射微纳结构。空军工程大学理学院Cuilian Xu等(Infrared Physics&Technology,2018,88:133-138)设计并通过电子束刻蚀制造了图案式多尺度共面单元周期结构，实现了宽带选择性(3-14μm)电磁波吸收/辐射。
然而，因设计缺陷和加工形式局限，电磁波宽带选择性辐射微纳结构性能及其加工工艺性均受到限制，导致设计的正锥电磁谐振结构及图案式多尺度共面单元周期结构无法大面积高效制造，从而极大限制了电磁波宽带选择性辐射微纳结构在红外隐身、辐射散热方面的应用。
发明内容
本发明针对现有结构功能性设计缺陷和加工工艺的不足，通过设计倒锥周期结构和排列式多尺度共面单元周期结构，来提高结构的红外隐身性能，同时结合飞秒激光加工技术来实现周期结构的大面积高效制造。
为实现上述目的，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，具有这样的特征：包括连续相接的基体、反射体和吸收体；基体材料为电介质或金属；反射体为金属层，覆盖在基体上方；吸收体位于反射体上方，是由金属层和电介质层交叠形成的倒锥周期结构或者排列式多尺度共面单元周期结构；
其中，倒锥周期结构是由若干倒锥单体呈矩阵周期性排列而成的结构，倒锥单体由至少两组金属层和电介质层交叠形成，顶层为金属层；
排列式多尺度共面单元周期结构为连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构或者非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构；
连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构包括一层连续的电介质层和一层由若干金属方块单元周期排列成的金属层，电介质层覆盖在反射体上，金属方块单元由若干不同尺寸的金属方块呈矩阵周期性排列而成，其中每一行金属方块的列向宽度相等，每一列金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列金属方块的间距均相等；
非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构包括若干周期性排列的电介质-金属方块单元，电介质-金属方块单元由若干不同尺寸的电介质-金属方块呈矩阵周期性排列而成，电介质-金属方块为层状方块结构，包括两层，下层为电介质层，上层为金属层，其中每一行电介质-金属方块的列向宽度相等，每一列电介质-金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列电介质-金属方块的间距都相等。
这种不同尺寸呈矩阵周期性规律排列的结构便于采用激光等方式进行整列/行的加工，从而可以实现大规模加工生产。
电磁波宽带选择性吸收微纳结构通过等离子体共振作用实现电磁波特定波段高吸收；并利用反射体实现其余波段的低吸收，从而实现电磁波宽带选择性吸收。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述基体的电介质材料为硅或锗，金属材料为铜、钛、铝、不锈钢或高温合金；反射体的材料为金、银、铝或铂；吸收体金属层的材料为金、银、铝或铂，电介质层的材料为氧化铝、氟化镁、锗、氮化硅、碳化硅、硫化锌或氧化锆。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述反射体的金属层厚度为0.03-0.15μm，实现对大气窗口电磁波段(波长范围3-5μm和8-14μm)的低吸收。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，金属方块/电介质-金属方块的金属层的厚度为0.03～0.07μm，电介质层的厚度为0.03～0.3μm。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，金属方块/电介质-金属方块的周期为0.8-2μm，金属方块/电介质-金属方块的尺寸(横向宽度或竖向宽度)为其周期的0.5-0.8倍。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，为实现宽带吸收，每个金属方块单元/电介质-金属方块单元至少包括2种不同尺寸的金属方块/电介质-金属方块共面排列；金属方块单元/电介质-金属方块单元的周期为2.5-10μm(2-6种不同尺寸方块共面排列)。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述倒锥单体中，金属层厚度为0.03～0.07μm，电介质层厚度为0.03～0.5μm。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，还可以具有这样的特征：其中，所述倒锥周期结构中，倒锥单体的周期为1-5μm，倒锥结构顶部宽度为其周期的0.4-0.8倍，倒锥结构底部宽度为其周期的0.1-0.6倍。
本发明还提供上述电磁波宽带选择性吸收微纳结构的制备方法，具有这样的特征：首先在基体上通过蒸镀或溅射方法依次沉积反射体和可裁切成吸收体的电介质-金属交叠层状结构，可加工成吸收体的电介质-金属交叠层状结构，具体是指与吸收体各层相对应的、符合吸收体各层厚度的加工前的电介质-金属交叠层状结构；
然后通过飞秒激光在电介质-金属交叠层状结构上扫描加工出倒锥周期结构/排列式多尺度共面单元周期结构。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，加工所述倒锥周期结构时，在调整好激光聚焦位置后，通过精密运动平台控制激光以θ角度入射至电介质-金属交叠层状结构；随后精密运动平台带动激光沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台使激光继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻倒锥单体侧面单侧加工完成；随后精密运动平台带动激光沿Y方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向倒锥单体单侧面全部加工完成；随后调整精密运动平台使激光以-θ角度入射至电介质-金属交叠层状结构，完成X方向倒锥单体另一侧面的加工，直至X方向所有两列相邻倒锥单体的侧面的均加工完成；完成X方向加工后，精密运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个倒锥周期结构加工完成。
进一步，本发明提供一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，加工所述排列式多尺度共面单元周期结构时，激光始终垂直于加工表面，通过控制飞秒激光功率以及精密运动平台运动，对电介质-金属交叠层状结构进行加工；
对于连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，激光在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除吸收体金属层而能量停止于电介质层，精密运动平台带动激光沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台时激光继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻金属方块中间的镂空区域加工完成；随后精密运动平台带动激光沿Y方向移动一个金属方块的周期后继续加工，直至X方向所有相邻方块间区域加工完成；完成X方向加工后，精密运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成；
对于非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，分两步加工，第一步与连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的加工过程相同，第二步为：激光在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除电介质层而能量停止于反射体，后续加工过程与第一步相同。
本发明的有益效果在于：
(1)倒锥结构均能够在3-14μm波段电磁波宽带选择性吸收，与此同时，倒锥结构比正锥结构减少10％以上可见光吸收，并利用飞秒激光配合精密运动平台，设计出适合飞秒激光加工的倒锥结构及其工艺方案；
(2)排列式多尺度共面单元结构相较于现有图案式多尺度共面单元结构更利于飞秒激光扫描式加工。具体的，现有结构需分块加工出具有特定形状和尺寸的单元结构，而本发明的排列式多尺度共面单元结构仅需控制方块间距，并通过控制飞秒激光平行直线扫描高效加工出具有特定形状和尺寸的单元结构，更有利于大面积制造，且加工的单元结构一致性更高。
具体的，在金属方块单元/电介质-金属方块单元中，每一行金属方块/电介质-金属方块的横向宽度相等，每一列金属方块/电介质-金属方块的竖向宽度相等，每一行、每一列金属方块/电介质-金属方块的间距都相等，这种不同尺寸呈矩阵周期性规律排列的结构便于采用激光等方式进行整列/行的加工，从而可以实现大规模加工生产。
(3)对于倒锥周期结构，其反射体和吸收体顶层均为金属层，倒锥结构在锥度角范围内均为金属面来反射可见光，此结构充分利用金属面对可见光波段电磁波低吸收，减少太阳光直射引起的温升，从而提高微纳结构的红外隐身性能。对于非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，由于其方块尺度远大于电介质层厚度，在宽入射角范围(0-75°)内均为金属面，减少对太阳辐射的吸收，从而减少太阳光直射引起的温升，提高微纳结构的红外隐身性能。
附图说明
图1是实施例1具有正锥/倒锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的结构示意图；其中(a)为正锥周期结构，(b)为倒锥周期结构；
图2是实施例1倒锥周期结构的加工示意图；
图3是实施例1具有正锥/倒锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的可见光波段吸收/辐射率图；
图4是实施例1具有正锥/倒锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的红外波段吸收/辐射率图；
图5是实施例2和3具有排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的结构示意图；其中(a)为连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，(b)为非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构；
图6是实施例2具有非连续电介质层排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的俯视图；
图7是实施例2具有非连续电介质层排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的部分加工示意图；
图8是实施例2具有非连续电介质层排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的红外波段吸收/辐射率图；
图9是实施例3具有连续电介质层排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的红外波段吸收/辐射率图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种具有倒锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，同时以具有正锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构作为对照，比较其在各波段的吸收性能。
微纳结构以硅作为基体1。基体1上为反射体2，反射体2为银层。反射体2上为吸收体3，吸收体3为正锥(对照)/倒锥周期结构，正锥/倒锥周期结构是由若干正锥/倒锥单体呈矩阵周期性排列而成的结构，正锥/倒锥单体由至少两组金属层和电介质层交叠形成，本实施例中，正锥/倒锥单体由锗层和银层交叠(40层)，锗层作为电介质层3-1，银层作为金属层3-2。
吸收体3为正锥周期结构的微纳结构中，反射体2厚度为0.15μm，吸收体3锗层厚度为0.45μm，吸收体3银层厚度0.03μm。正锥单体的周期尺寸P为4μm，正锥顶部宽度Wt为0.59μm，底部宽度Wb为1.05μm。
吸收体3为倒锥周期结构的微纳结构中，反射体2厚度为0.15μm，吸收体3锗层厚度为0.15μm，吸收体3银层3-2厚度0.03μm。倒锥单体的周期尺寸P为4μm，倒锥顶部宽度Wt为1.05μm，倒锥底部宽度Wb为0.48μm。
吸收体为正锥周期结构的微纳结构的加工过程包括以下步骤：
(1)硅作为基体，采用单面抛光的硅片，厚度0.6mm(基体厚度不影响红外吸收率，可根据实际情况选择)，用无水乙醇清洗备用；
(2)采用磁控溅射方法在硅基体1上沉积银-锗。准备好靶材，磁控溅射采用多靶位依次溅射的方式，逐层溅射银和锗，银层、锗层厚度排布如下：0.15μm(反射体2)，0.45μm(吸收体电介质层3-1)，0.03μm(吸收体金属层3-2)，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，0.45μm，0.03μm，完成后备用；
(3)光路在调整好聚焦位置后，通过精密运动平台使光束以1.5°入射至交叠结构，随后精密运动平台沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻正锥结构侧面单侧加工完成；随后精密运动平台沿Y方向移动一个周期4μm距离后继续加工，直至X方向正锥单侧面全部加工完成；随后调整精密运动平台使光束以-1.5°入射至交叠结构，完成X方向正锥另一侧面加工，直至X方向所有两列相邻正锥结构侧面间的镂空区域加工完成。完成X方向加工后，运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成；
(4)加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
吸收体为倒锥周期结构的微纳结构的加工过程包括以下步骤：
(1)硅作为基体，采用单面抛光的硅片，厚度0.6mm(基体厚度不影响红外反射率，可根据实际情况选择)，用无水乙醇清洗备用；
(2)采用磁控溅射方法在硅基体1上沉积银-锗。准备好靶材，磁控溅射采用多靶位依次溅射的方式，逐层溅射银和锗，银层、锗层厚度排布如下：0.15μm(反射体2)，0.15μm(吸收体电介质层3-1)，0.03μm(吸收体金属层3-2)，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，0.15μm，0.03μm，完成后备用；
(3)光路在调整好聚焦位置后，通过精密运动平台使光束以-4.5°入射至交叠结构，随后精密运动平台沿Y方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台继续沿Y方向进行平行直线扫描，直至Y方向两列相邻正锥结构侧面单侧加工完成；随后精密运动平台沿X方向移动一个周期4μm距离后继续加工，直至Y方向正锥单侧面全部加工完成；随后调整精密运动平台使光束以4.5°入射至交叠结构，完成Y方向正锥另一侧面加工，直至Y方向所有两列相邻正锥结构侧面间的镂空区域加工完成。完成X方向加工后，运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成，加工过程示意图如图2所示；
(4)加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
具有正锥/倒锥周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构在可见光波段吸收率结果如图3所示，倒锥结构相较于正锥结构可见光波段平均吸收率低出11.6％。正锥结构与倒锥结构2-15μm波段的吸收率结果如图4所示，相比较而言，正锥结构与倒锥结构均能在3-5μm和8-14μm两个大气窗口波段对电磁波低吸收，从而减少在这两个大气窗口波段的红外辐射率；在5-8μm均能做到较为强烈的吸收，增大非大气窗口波段的辐射冷却，降低物体表面温度。在红外隐身和辐射散热共同作用下大幅提升物体红外隐身性能。
实施例2
如图5中(b)所示，本实施例提供一种具有非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构。以铜作为基体4，基体4上为反射体5，反射体5为银层。反射体5上为吸收体6，吸收体6为非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，是由若干电介质-金属方块单元呈周期性排列形成的结构，其中，电介质-金属方块单元由若干不同尺寸的电介质-金属方块呈矩阵周期性排列而成，电介质-金属方块为包含两层的层状方块结构，下层为电介质层6-1、上层为金属层6-2，其中，如图6所示，每一行电介质-金属方块的列向宽度相等，每一列电介质-金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列电介质-金属方块的间距都相等，在本实施例中，电介质层6-1为锗层，金属层6-2为银层。
具体的，在本实施例中，反射体6银层厚度为0.15μm，吸收体6电介质层6-1厚度为0.135μm，吸收体6金属层6-2厚度为0.067μm。电介质-金属方块的周期尺寸Pc为1μm，电介质-金属方块尺寸W1，W2，W3，W4分别为0.6μm，0.65μm，0.7μm，0.75μm，电介质-金属方块单元的周期P为4μm。
加工过程包括以下步骤：
(1)铜作为基体4，对单面进行抛光，厚度1mm(基体厚度不影响红外吸收率，可根据实际情况选择)，用无水乙醇清洗备用；
(2)采用电子束蒸镀的方法在硅基体4上沉积银-锗。准备好靶材，采用电子束蒸镀逐层沉积银和锗，银层、锗层厚度排布如下：0.15μm(反射体5)，0.135μm(吸收体6电介质层6-1)，0.067μm(吸收体6金属层6-2)，完成后备用；
(3)光路在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除吸收体金属层6-2而能量停止于电介质层6-1，精密运动平台沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻金属方块中间的镂空区域加工完成；随后精密运动平台沿Y方向移动一个电介质-金属方块周期1μm后继续加工，直至X方向所有相邻方块间区域加工完成。完成X方向加工后，运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成，加工过程示意图如图7所示；随后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除吸收体电介质层6-1而能量停止于反射体5，重复精密运动平台的控制过程，去除电介质方块之间的区域，完成加工；
(4)加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
设计出的具有非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构在2-15μm波段的吸收率结果如图8所示，非连续电介质层的排列式多尺度共面单元结构能在3-5μm和8-14μm两个大气窗口波段对电磁波低吸收，从而减少在这两个大气窗口波段的红外辐射率；在5-8μm波段能做到较为理想的强烈吸收，增大非大气窗口波段的辐射换热，降低物体表面温度。在红外隐身和辐射散热共同作用下极大提升物体的红外隐身性能。
实施例3
如图5中(a)所示，本实施例提供一种具有连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，具体的，具有“金-硫化锌-高温合金K424”结构。本实施例结构采用的金、硫化锌以及K424高温合金，均可耐至1000℃以上，因而此电磁波宽带选择性吸收射微纳结构可工作于高温环境中，可作为高温环境下高性能红外隐身、辐射冷却兼容微纳结构的设计案例。本微纳结构以高温合金K424作为基体。基体上为反射体，反射体为金层。反射体上为吸收体，吸收体为连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，包括一层连续的电介质层和一层由若干金属方块单元周期排列成的金属层，电介质层覆盖在反射体上，金属方块单元由若干不同尺寸的金属方块呈矩阵周期性排列而成，其中每一行金属方块的列向宽度相等，每一列金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列金属方块的间距均相等，在本实施例中，吸收体电介质层为硫化锌层，吸收体金属层为金层。
具体的，在本实施例中，反射体金层厚度为0.15μm，吸收体电介质层厚度为0.135μm，吸收体金属层厚度为0.067μm。金属方块周期尺寸Pc为2μm，金属方块尺寸W1，W2，W3，W4分别为1.0μm，1.1μm，1.25μm，1.4μm，金属方块单元的周期P为8μm。
加工过程包括以下步骤：
(1)K424高温合金作为基体，对单面进行抛光，厚度1mm(基体厚度不影响红外吸收率，可根据实际情况选择)，用无水乙醇清洗备用；
(2)采用电子束蒸镀的方法在K424基体上沉积银-锗。准备好靶材，采用电子束蒸镀逐层沉积金和硫化锌，金层、硫化锌层厚度排布如下：0.15μm(反射体)，0.135μm(吸收体电介质层)，0.067μm(吸收体金属层)，完成后备用；
(3)光路在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除吸收体金属层而能量停止于电介质层，精密运动平台沿Y方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台继续沿Y方向进行平行直线扫描，直至Y方向两列相邻金属方块中间的镂空区域加工完成；随后精密运动平台沿X方向移动一个方块周期2μm后继续加工，直至Y方向所有相邻方块间区域加工完成。完成Y方向加工后，运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成；
(4)加工完成的样品采用超声清洗10min，为后续测试准备。
设计出的具有连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的电磁波宽带选择性吸收微纳结构在2-15μm波段的吸收/辐射率结果如图9所示，连续电介质层的排列式多尺度共面单元结构能在3-5μm和8-14μm两个大气窗口波段对电磁波低吸收；在5-8μm波段能做到较为理想的强烈吸收，增大非大气窗口波段的辐射换热，降低物体表面温度。因材料在高温下的稳定性，该实施例可用于高温环形下需要红外隐身的目标。
Claims (10)
1.一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
包括基体、反射体和吸收体；
基体材料为电介质或金属；
反射体为金属层，覆盖在基体上方；
吸收体位于反射体上方，是由金属层和电介质层交叠形成的倒锥周期结构或者排列式多尺度共面单元周期结构；
其中，倒锥周期结构是由若干倒锥单体呈矩阵周期性排列而成的结构，倒锥单体由至少两组金属层和电介质层交叠形成，顶层为金属层；
排列式多尺度共面单元周期结构为连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构或者非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构；
连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构包括一层连续的电介质层和一层由若干金属方块单元周期排列成的金属层，电介质层覆盖在反射体上，金属方块单元由若干不同尺寸的金属方块呈矩阵周期性排列而成，其中每一行金属方块的列向宽度相等，每一列金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列金属方块的间距均相等；
非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构包括若干周期性排列的电介质-金属方块单元，电介质-金属方块单元由若干不同尺寸的电介质-金属方块呈矩阵周期性排列而成，电介质-金属方块为层状方块结构，包括两层，下层为电介质层，上层为金属层，其中每一行电介质-金属方块的列向宽度相等，每一列电介质-金属方块的横向宽度相等，每一行、每一列电介质-金属方块的间距都相等。
2.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述基体的电介质材料为硅或锗，金属材料为铜、钛、铝、不锈钢或高温合金；
反射体的材料为金、银、铝或铂；
吸收体金属层的材料为金、银、铝或铂，电介质层的材料为氧化铝、氟化镁、锗、氮化硅、碳化硅、硫化锌或氧化锆。
3.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述反射体金属层的厚度为0.03-0.15μm。
4.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，金属方块/电介质-金属方块的金属层的厚度为0.03～0.07μm，电介质层的厚度为0.03～0.3μm。
5.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，金属方块/电介质-金属方块的周期为0.8-2μm，金属方块/电介质-金属方块的尺寸为其周期的0.5-0.8倍。
6.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述排列式多尺度共面单元周期结构中，每个金属方块单元/电介质-金属方块单元至少包括2种不同尺寸的金属方块/电介质-金属方块共面排列；金属方块单元/电介质-金属方块单元的周期为2.5-10μm。
7.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述倒锥单体中，金属层厚度为0.03～0.07μm，电介质层厚度为0.03～0.5μm。
8.根据权利要求1所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构，其特征在于：
其中，所述倒锥周期结构中，倒锥单体的周期为1-5μm，倒锥结构顶部宽度为其周期的0.4-0.8倍，倒锥结构底部宽度为其周期的0.1-0.6倍。
9.如权利要求1-8任意一项所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的制备方法，其特征在于：
首先在基体上依次沉积反射体和可加工成吸收体的电介质-金属交叠层状结构；
然后通过飞秒激光在电介质-金属交叠层状结构上扫描加工出倒锥周期结构/排列式多尺度共面单元周期结构。
10.根据权利要求9所述的电磁波宽带选择性吸收微纳结构的制备方法，其特征在于：
其中，加工所述倒锥周期结构时，在调整好激光聚焦位置后，通过精密运动平台控制激光以θ角度入射至电介质-金属交叠层状结构；
随后精密运动平台带动激光沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台使激光继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻倒锥单体侧面单侧加工完成；
随后精密运动平台带动激光沿Y方向移动一个周期距离继续加工，直至X方向倒锥单体单侧面全部加工完成；
随后调整精密运动平台使激光以-θ角度入射至电介质-金属交叠层状结构，完成X方向倒锥单体另一侧面的加工，直至X方向所有两列相邻倒锥单体的侧面的均加工完成；
完成X方向加工后，精密运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个倒锥周期结构加工完成；
加工所述排列式多尺度共面单元周期结构时，激光始终垂直于加工表面，通过控制飞秒激光功率以及精密运动平台运动，对电介质-金属交叠层状结构进行加工；
对于连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，激光在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除吸收体金属层而能量停止于电介质层，精密运动平台带动激光沿X方向直线运动，完成第一次加工；随后配合精密运动平台时激光继续沿X方向进行平行直线扫描，直至X方向两列相邻金属方块中间的镂空区域加工完成；随后精密运动平台带动激光沿Y方向移动一个金属方块的周期后继续加工，直至X方向所有相邻方块间区域加工完成；完成X方向加工后，精密运动平台旋转90度，重复上述加工过程至整个周期结构加工完成；
对于非连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构，分两步加工，第一步与连续电介质层的排列式多尺度共面单元周期结构的加工过程相同，第二步为：激光在调整好聚焦位置后，调整激光功率，使飞秒激光能够去除电介质层而能量停止于反射体，后续加工过程与第一步相同。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210078403.2A CN114265134B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210078403.2A CN114265134B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114265134A true CN114265134A (zh) | 2022-04-01 |
| CN114265134B CN114265134B (zh) | 2024-03-15 |
Family
ID=80833471
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210078403.2A Active CN114265134B (zh) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114265134B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115032729A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-09 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于微纳结构的双波段制导激光吸收器件及其制备方法 |
| CN115097560A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-23 | 南京航空航天大学 | 一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法 |
| CN115260988A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-01 | 南京航空航天大学 | 一种复合吸波材料及其制备方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103308486A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-09-18 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于表面等离子体的复合谐振腔红外光子吸收器件 |
| US20180069319A1 (en) * | 2016-09-02 | 2018-03-08 | Industry-Academic Cooperation Foundation Yonsei University | Composite structure for controlling absorptivity of radar and emissivity of infrared regions |
| CN109365995A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-02-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种高度均一的微锥阵列结构的制备方法 |
| CN110118605A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 |
| CN110737035A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-31 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备方法 |
| CN113534315A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-10-22 | 清华大学 | 一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构 |
-
2022
- 2022-01-24 CN CN202210078403.2A patent/CN114265134B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103308486A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-09-18 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于表面等离子体的复合谐振腔红外光子吸收器件 |
| US20180069319A1 (en) * | 2016-09-02 | 2018-03-08 | Industry-Academic Cooperation Foundation Yonsei University | Composite structure for controlling absorptivity of radar and emissivity of infrared regions |
| CN109365995A (zh) * | 2018-12-06 | 2019-02-22 | 哈尔滨工业大学 | 一种高度均一的微锥阵列结构的制备方法 |
| CN110118605A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种谐振型宽光谱非制冷红外探测器及其制备方法 |
| CN110737035A (zh) * | 2019-10-22 | 2020-01-31 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种选择性红外辐射与雷达吸波兼容的隐身材料及其制备方法 |
| CN113534315A (zh) * | 2021-06-04 | 2021-10-22 | 清华大学 | 一种兼容热致变发射率和频率选择散热的红外隐身超结构 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘琪: "非锥形阵列结构的选择性辐射制冷器件的设计与制备研究", 《全国优秀硕士学位论文全文数据库》 * |
| 刘琪: "非锥形阵列结构的选择性辐射制冷器件的设计与制备研究", 《全国优秀硕士学位论文全文数据库》, no. 6, 15 June 2020 (2020-06-15), pages 29 - 39 * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115032729A (zh) * | 2022-06-28 | 2022-09-09 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于微纳结构的双波段制导激光吸收器件及其制备方法 |
| CN115032729B (zh) * | 2022-06-28 | 2024-02-13 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种基于微纳结构的双波段制导激光吸收器件及其制备方法 |
| CN115097560A (zh) * | 2022-07-14 | 2022-09-23 | 南京航空航天大学 | 一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法 |
| CN115097560B (zh) * | 2022-07-14 | 2023-09-08 | 南京航空航天大学 | 一种电磁波选择性吸收的栅格微纳结构及其制备方法 |
| CN115260988A (zh) * | 2022-08-15 | 2022-11-01 | 南京航空航天大学 | 一种复合吸波材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114265134B (zh) | 2024-03-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114265134A (zh) | 一种电磁波宽带选择性吸收微纳结构及其制备方法 | |
| CN102343484B (zh) | 利用多重光束及各适当的雷射光学头的雷射制程 | |
| EP2320253A1 (en) | Broadband reflecting mirror | |
| Dearden et al. | Some recent developments in two-and three-dimensional laser forming for ‘macro’and ‘micro’applications | |
| CN204345956U (zh) | 一种吸收边连续可调的太阳光谱选择性吸收涂层 | |
| CN111624691B (zh) | 金属反射镜及其制造方法 | |
| CN104976803A (zh) | 一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 | |
| Liao et al. | High quality full ablation cutting and stealth dicing of silica glass using picosecond laser Bessel beam with burst mode | |
| CN111005001B (zh) | 一种仿天牛多级结构的二氧化钒智能热控器件及其制备方法 | |
| CN111158069B (zh) | 一种光谱选择性辐射红外隐身材料及其制备方法 | |
| CN106288462A (zh) | 一种太阳能选择性吸收涂层及其制备方法 | |
| CN104976802A (zh) | 一种太阳光谱选择性吸收涂层及其制备方法 | |
| CN109365993A (zh) | 一种轧辊激光毛化加工设备及其加工方法 | |
| CN102632335A (zh) | 表层高反射率材料的激光加工方法 | |
| CN105583227A (zh) | 一种铜钼铜复合材料的制造方法 | |
| CN103529503B (zh) | 一种用于聚光太阳能模组的双曲面反射镜 | |
| CN111208589A (zh) | 一种耐高温选择性发射红外隐身材料及其制备方法 | |
| CN117600685A (zh) | 一种硬脆性材料晶锭超快激光快速改质的方法 | |
| CN105116481B (zh) | 一种陷光滤波器及其制备方法 | |
| CN106342255B (zh) | 高能激光系统用常压烧结碳化硅反射镜及其制备方法 | |
| WO2012057073A1 (ja) | 太陽熱集熱部材およびその作製方法 | |
| CN101256276B (zh) | 一种激光光束聚焦整型抛物面镜 | |
| CN114189198B (zh) | 一种应用于热光伏系统的超表面选择性辐射器及其制备方法 | |
| CN112959005B (zh) | 一种在铜表面制造长期高效减反微纳结构的方法及应用 | |
| CN211814645U (zh) | 一种高功率激光熔覆头 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |