CN1425555A - 一种透明金属介电复合材料 - Google Patents
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Abstract
一种透明金属介电复合材料，由对称放置在两侧的诱导层和中间的功能层构成，其特征在于：所述的对称放置在两侧的诱导层各由两层不同的透明介质薄膜构成，两侧的诱导层光学厚度可以不同，所述的功能层复合在对称放置的诱导层之间，所述的两个诱导层的光学厚度相同，所述的功能层中也可以同时掺杂诱导层形成多重的量子阱结构。本发明通过多次反射以及类量子阱效应的共振增强效应使得在增透所要求波段的的电磁波的同时，反射其它所有波长更长的电磁波，可用于做各种视窗的窗口材料或透明体材料，在防红外、微波、无线电波或者紫外的同时透射要求波段的电磁波，也可用于制作金属半导体光电探测器的相关器件。
Description
技术领域：
本发明涉及一种用于电磁波信号处理的复合薄膜材料或器件，特别是一种类半导体量子阱对称结构的透明金属介电复合材料。
背景技术：
已有技术中，通常用于电磁波信号(光信号)处理的器件为全光器件或者是光、电子器件混成的光电器件，多由介电材料、半导体材料等制成。电磁波信号从波长来划分从短到长包括伽玛射线、X射线、紫外、可见光波段，红外、微波，以及无线电波、长波等，随着信息时代的发展，对光电信号的处理向着宽频、高速响应的方向发展，这对用于光信号处理的器件以及材料提出了更高的要求。用于衡量材料对光信号和电信号的响应的一个重要参数是电导率，可以用来简单划分金属和绝缘体，很多绝缘体材料对可见光来说是透明的，金属则对可见以及红外等更长的波段来说是强吸收的和高反射的，一般用趋肤深度来表征它的消光能力。半导体材料存在一个狭窄的禁带能隙，对于不能引起跃迁的入射光来说半导体材料表现为绝缘体的特征，而对于引起跃迁的入射光来说半导体材料则表现为类似金属的良导体特征，所以多用于制备光电子混成器件。金属材料由于对很宽频率范围内的电磁波有高反射的能力，而多用做宽带的反射器，或者红外、微波波段的阻隔器件，在可见光区域几乎是不透射的。对于在较宽频率范围内可调谐的光通、光隔离材料或器件一种是用1/4波片以及其它介电多层膜来实现，由于厚膜制备技术等方面的困难很难在覆盖红外或者更宽范围的频率范围内实现类似的功能。ITO膜在可见光区域很宽的范围内有很好的透过率，在近红外到中红外区域则有很好的红外反射特性，但是ITO膜的方块电阻在102到104Ω/cm2，不能阻隔微波，不能防静电。也有一种所谓利用光子能带结构研制的金属介电透明材料，即利用一层金属、一层介电材料相间排列，相同材料实际厚度相同而形成的多层周期膜材料，可以屏蔽绝大部分红外或者更长波长的电磁波，尽管累计金属膜总厚度远远大于趋肤深度，在可见光区域仍然是透明的。一般来说这种材料的透明度要低于ITO膜的透明度，高透射区域相对狭窄、高透射区域透射率的波动幅度较大，使得不同频率对应的透射率显著不同而带有很深的背景颜色。当保持金属层数不变而增加每层金属的厚度，或者增加金属层数而保持每层金属厚度不变，使得金属膜的总厚度增加，则相应对红外或者微波的阻隔能力的提高，但是材料在可见范围的高透区域将随之明显变窄，峰值透射率显著下降。
发明内容：
本发明的目的在于解决已有技术中的上述问题，本发明为解决已有技术中的上述问题所采用的技术方案是提供一种透明金属介电复合材料，本发明所述的金属介电复合薄膜材料的结构类似于半导体量子阱结构，由对称放置的两个诱导层和中间的功能层构成，所述的对称放置在功能层两边的诱导层分别为透明的双层介质薄膜衬底，其结构和各层薄膜的排列分别如A1B1和B2A2，其中A1、A2和B1、B2分别代表具有不同折射率的两种透明材料，如硫化锌和氟化镁。每个诱导层的实际厚度在2.0纳米到10000.0纳米之间，两个诱导层的光学厚度可以相同或者不同，两个诱导层中的薄膜的厚度比例可以相同或者不同，所述的功能层的厚度在3.0纳米到10000.0纳米之间，可以由一种、两种或两种以上的介质膜以及金属膜构成；所述的功能层包含至少一层金属介质膜，或者由多层的金属膜、介电或半导体介质膜构成，每层金属膜两边为介电介质膜或者半导体膜，各层金属的厚度可以相同也可以不同。各层由相同材料构成的介电介质薄膜或者半导体薄膜的厚度可以相同也可以不同。厚度在3.0纳米到10000.0纳米之间的功能层复合在对称放置的诱导层之间，结构如A1B1CB2A2，前面的A1B1对应一个诱导层，后面的B2A2对应另一个诱导层，中间的C对应单层的金属层或多层的金属层中复合介电介质薄膜或者半导体介质薄膜所构成的功能层，其中一边的诱导层中不与功能层复合的薄膜A1或A2和透明的衬底材料复合，或者两边的诱导层中不与功能层复合的薄膜A1和A2都分别和透明的衬底材料复合，复合的方法可以用电子束蒸发或者溅射的方法实现，诱导层与功能层之间、各部分中相邻的各层薄膜之间的复合也可以用电子束蒸发或者溅射的方法实现。这种结构可以让一部分或绝大部分可见光透射的同时屏蔽绝大部分红外辐射、紫外辐射和波长更长的其它电磁波辐射，或者在使得要求的可见波段高透射的同时屏蔽绝大部分红外辐射、紫外和波长更长的其它电磁波辐射。对于功能层中有多层金属膜的情况，如果要保证在较宽的可见光范围内，透射率的起伏较小，高透射区域较宽的特点，在保持金属膜总厚度不变、金属层数不变的条件下，靠近功能层中间的金属膜厚度可以厚一些，同时越靠近两边诱导层的金属膜的厚度越薄，此时包括功能层和两侧的诱导层的整体结构都接近或者达到中心对称。在保持两边诱导层各自的总光学厚度的同时，适当调节各诱导层中两种不同的透明介质的厚度，通过调节可以得到高透射区域内高低透射率的差值不大于平均透射率的3％或者10％以内，这一特点可以用于建筑玻璃镀膜与汽车用玻璃镀膜等方面。本发明所述的两个诱导层也可以分别包含多于一个周期的双层透明薄膜结构，例如ABAB...AB，相应的在功能层另一侧为BABA...BA，或者在功能层中同时掺杂诱导层形成多重量子阱结构，掺杂通过将中间功能层的任一层非金属的薄膜层换为诱导层复合结构的单周期双层薄膜结构或多周期双层薄膜结构而实现。相对于单周期诱导层结构来说，即使在中间功能层对可见光透射率有大幅度衰减的情况下，通过利用诱导层结构周期数的增加或者在功能层中间掺杂诱导层结构可以使得在某一相对狭窄的可见光区域内有极高透射的特性，以及其它波段的高屏蔽特性。例如在8层银、每层银平均25纳米厚的情况下，也可以在某一狭窄的频率区域内有80％左右的透射率，同时几乎完全屏蔽所有其它波段的电磁波。本发明着重强调两侧的诱导层有相同的周期和相同的光学总厚度的情况，此时由于多次共振反射效应而更容易达到有很宽的高透射区域等本发明所希望的效果。
本发明和已有技术对比，其区别于利用所谓光子能带结构的金属介电复合材料或器件的不同点以及优点在于：1)基于的原理不同，本发明主要基于两对称放置的诱导层之间多次反射，结果类似量子阱的共振增强或者相消的效应，而不是利用很多周期的两种不同折射率、具有各自相同厚度的薄膜周期排列而形成的通带、阻带结构的光谱结构。2)在相同层数金属、对应各金属层厚度相同或者金属层总厚度相同的条件下(即防红外或者防微波能力相同的条件下)，在整个可见光区域或者对应的可见光区域内透射率要高出30％到100％以上。3)在保证相同透明程度或者要求波段相同透射特性的条件下，本发明相对光子能带结构的复合材料可以用更厚的金属和更多的金属层数。则此时防红外或者防微波的能力增强。4)金属膜材料和金属体材料对电磁波的响应有显著不同，一般来说，随着膜层厚度的减小，金属膜的电导率要明显见小，对微波和红外以及可见光的衰减能力要显著减弱，例如结构中只采用一层厚的金属膜对微波或者红外的防护能力要好于采用用3层1/3厚度的金属膜对红外和微波的防护能力。5)从制备技术上考虑，金属膜过薄则可能过渡到不连续膜，此时的金属膜导电性能很差，类似与绝缘材料，此时对红外、微波的高反射能力大幅降低或者丧失。例如制备10纳米厚的银膜，则由于厚度的起伏等因素而使得由20层10纳米厚的银膜构成的光子能带金属介电复合材料或器件很难达到理论上200钠米银膜总厚度所对应的对红外和微波的屏蔽作用，而同时在可见光区域只有最多不超过40％的透射率。本发明则可以只利用8层平均每层25钠米的银膜在达到理论上200钠米银膜总厚度所对应的对红外和微波的屏蔽作用时，在更宽的可见光区域范围内有最多可以超过60％的透射率。6)从成本与可行性方面来考虑，多层膜的层数越多，制备的费用越高、要求的技术越高，膜的力学性能等下降而缺乏可实现性。7)通过调节诱导层的结构、厚度、周期数以及在复合层中的掺杂使得本发明有更加优良的可调谐性能。对照金属介电光子能带结构的复合薄膜材料或者器件来说，本发明在保证相同金属层数和金属总厚度的同时在可见光区域有更好的透明度，对可见光的高透射不是基于不同折射率的两种介电材料排列形成光子能带结构达到对可见光的透明，而是利用单周期的诱导层对称放置形成类似与半导体量子阱结构的对称结构，频率与结构相匹配的可见光经过多次反射相干增透而得到整个可见光区域透明的效果或者达到要求的可见波段高透同时屏蔽绝大部分其它波段电磁波的效果。本发明的方块电阻大约为10-1到10-2Ω/cm2，比ITO膜小三到四个数量级而可以具备优良的导电和完全防静电的功能。可用做各种视窗的窗口材料。如果选择二氧化钛或者氧化锆等对紫外强烈吸收的介质用于所述诱导层或功能层中的介电介质膜，则具备紫外防护能力，通过调节该种介质材料纳米颗粒尺寸以及诱导层的结构和厚度可以覆盖部分或者整个紫外区域，使得紫外辐射不能透射而达到对紫外的完全防护，有益于健康。所述的功能层复合在诱导层之间可采用已有技术中的电子束蒸发或者溅射等方法来制作。本发明通过多次反射以及类量子阱效应的共振增强效应使得在增透所要求波段的的电磁波的同时，例如可见波段的入射光，反射其它所有波长更长的电磁波，如红外、微波、无线电波以及长波等。本发明所涉及的材料或者器件的方块电阻约为10-1到10-3Ω/cm2，具有优良的导电性能和防静电性能；通过材料的选择和材料内部各薄膜层厚度的调整可以得到防紫外的功能。在外加电压或者采用有非线性光学响应的材料的情况下，高透射区域的波段可以调谐。以上的特性都可用于做各种视窗的窗口材料或透明体材料以及宽带的可调谐滤波器件，在防红外、微波、无线电波或者紫外的同时透射要求波段的电磁波，也可用于制作金属半导体光电探测器的相关器件。
总体而言，本发明在保证可见光区域较好透过特性的同时屏蔽红外以及波长更长的电磁波辐射，如微波、无线电波，同时具备全频段的紫外防护能力，通过特殊的膜结构设计可以得到在可见光区域高度的透明度，或者在所需要波段内的高透射其它波段高屏蔽的宽带滤波效应。
附图说明：
图1是本发明的一种类半导体量子阱结构的透明金属介电复合材料。
图2是本发明的一种类半导体量子阱结构的透明金属介电复合材料中的功能层结构的示意图。
具体实施方式：
如图1所示，实现本发明的优选方式是：本发明一种类半导体量子阱结构的透明金属介电复合材料由诱导层1、3和功能层2构成，所述的诱导层1、3分别由两层透明介质薄膜A1、B1和B2、A2构成，所述的功能层2采用金属材料，所述的功能层2复合在诱导层1、3之间，所述的功能层2的厚度在3纳米到9000纳米之间，所述的功能层为单层金属膜。如图2所示，所述的功能层2也可以由多层的金属膜和介电介质膜构成。将所述的功能层复合到所述的诱导层可以采用已有技术中的电子束蒸发或者溅射的方法。在本发明的一个优选实施例中，诱导层1、3中的薄膜A1、A2都采用硫化锌，两者厚度相同，在2纳米到150纳米之间。薄膜B1、B2都采用氟化镁，两者厚度相同，在2纳米到250纳米之间。诱导层1，3对称放置。两诱导层的光学总厚度相同。功能层2采用厚度在5纳米到60纳米的单层金属银膜。在本发明的另一个优选实施例中，诱导层1、3中的薄膜A1、A2采用硫化锌，两者厚度相同，在2纳米到150纳米之间。薄膜B1、B2采用氟化镁，两者厚度相同，在2纳米到250纳米之间。诱导层1，3对称放置。两诱导层的光学总厚度相同。功能层2采用3层厚度为5纳米到60纳米的金属银膜和2层厚度为100纳米到200纳米的氟化镁薄膜。其排列方式为每两层金属薄膜中间夹一层介质薄膜。
Claims (11)
1、一种透明金属介电复合材料，由对称放置在两侧的诱导层和中间的功能层构成，其特征在于：所述的对称放置在两侧的诱导层各由两层不同的透明介质薄膜构成，两侧的诱导层光学厚度相同，所述的功能层复合在对称放置的诱导层之间，结构如A1B1CB2A2，前面的A1B1对应所述的由两层不同的透明介质薄膜构成的一个诱导层，后面的B2A2对应所述的由两层不同的透明介质薄膜构成的另一诱导层，中间的C代表功能层，所述的功能层中也可以同时掺杂诱导层形成多重的量子阱结构
2、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的功能层可以由一种、两种或两种以上的介质膜构成，所述的介质包含至少一层金属介质膜，或者由多层的金属膜、介电或半导体介质膜构成，每层金属膜两边为介电介质膜或半导体膜，所述的功能层两端的薄膜是金属膜，金属膜直接复合在透明的诱导层上，所述的功能层中由相同材料构成的半导体膜或者介质膜的厚度相同。
3、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的诱导层的各层薄膜的光学厚度小于功能层中各层介电介质膜或者半导体膜的光学厚度的十分之一。
4、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的金属材料为银、金、铝、铜等金属材料。
5、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的功能层中的介电介质膜为二氧化钛。
6、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的功能层含有大于或等于3层的金属膜，每一层金属膜的厚度相同，或者最中心处的金属膜的厚度大于每层金属膜的平均厚度，金属膜的厚度沿最中心的金属膜向两边的各层金属膜的厚度依次减小，两边复合在诱导层的金属膜为最薄的金属膜，其厚度大于或等于中心最厚金属膜的40％。
7、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的诱导层中的薄膜A1和薄膜A2为硫化锌，薄膜B1和薄膜B2为氟化镁。每个诱导层的实际厚度为2.0纳米到1000.0纳米之间，其功能层中的介电薄膜为氟化镁，实际厚度为2.0纳米到1000.0纳米之间，采用的金属膜为银，复合在两边的氟化镁薄膜上，每层金属银的厚度在5纳米到60纳米之间。
8、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：其高透过区域有大于或等于50％的透射率，屏蔽的红外波段或者其它长波的电磁波泄露小于或等于入射电磁波能量的十万分之一。
9、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：在可见光区域的高透过区域有大于或等于50％的透射率，同时在微波波段1M(106)赫兹到10G(3×109)赫兹范围内的任意频率的电磁波泄露不大于或远远小于入射电磁波能量三千分之一。
10、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：所述的高透射区域可以包括近红外以及中红外区域。
11、如权利要求1所述的一种透明金属介电复合材料，其特征在于：两侧的诱导层和中间的诱导层也可以分别包含多于一个周期的双层透明薄膜结构，例如一侧的诱导层结构为ABAB...AB，相应在功能层另一侧的诱导层结构为BABA...BA。各个诱导层的光学厚度可以不同，功能层中由相同材料构成的薄膜厚度可以不同。
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-
2001
- 2001-12-14 CN CN 01142665 patent/CN1425555A/zh active Pending
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| CN110959227A (zh) * | 2017-07-26 | 2020-04-03 | 诺基亚技术有限公司 | 针对射频信号的复合基板和制造复合基板的方法 |
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