可見高吸收紅外高反射薄膜制備及光學(xué)特性研究

日期：2025-09-11 07:21

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摘要：可見高吸收紅外高反射薄膜制備及光學(xué)特性研究

摘要

設(shè)計一種同時滿足可見光波段高吸收和遠(yuǎn)紅外波段高反射的特殊結(jié)構(gòu)是制備紅外低發(fā)射涂層的重要挑戰(zhàn)。利用濺射鍍膜法和化學(xué)合成法制備得到不同尺寸的金納米顆粒(AuNPs)，完成了AuNPs/SiO2/Al薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合上等數(shù)值仿真軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，使用可見分光光度計和傅里葉紅外光譜儀測試了其可見光和遠(yuǎn)紅外波段反射譜，研究了等離激元模式在納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜中的應(yīng)用。結(jié)果表明，金屬納米顆粒尺寸和介質(zhì)層厚度對該薄膜的反射性能都有十分重要的影響，通過制備納米復(fù)合材料，可見光波段吸收率達(dá)到64.07%，遠(yuǎn)紅外波段反射率下降不超過2.29%。

引言

紅外高反射涂層可以在紅外波段實現(xiàn)高反射、低發(fā)射的效果，廣泛應(yīng)用于建筑、船舶、航天等領(lǐng)域，具有降溫隔熱、節(jié)能環(huán)保、紅外隱身等優(yōu)點，主要由低發(fā)射率顏料、黏結(jié)劑和著色顏料組成，其中*重要的成分是低發(fā)射率顏料。由于鋁等金屬成本低廉、密度低，在可見光到紅外波段反射率高，被用于制備全反射鏡，是低發(fā)**料的常用材料。但其在可見光波段具有高反射率、低吸收率的性能，導(dǎo)致涂層表面過于明亮，在實際應(yīng)用中應(yīng)保持涂層的低亮度。

在可見光波段實現(xiàn)高吸收的一種方法是在涂料中添加著色顏料，直接改變涂層顏色。比如，2013年，Yuan等制備了一種Al/Cr2O3復(fù)合顆粒，在片狀鋁粉表面包覆Cr2O3，表現(xiàn)出深綠色，與未包覆的片狀鋁粉相比，其可見光譜的平均反射率下降到50%，而紅外發(fā)射率提高不到10%。2017年，Liu等制備了MnO2、Co3O4包覆的鋁復(fù)合顏料，顏色較暗，紅外發(fā)射率*低在30%以下。然而，用上述方法制備的彩色鋁顏料仍具有較高的亮度或高紅外發(fā)射率。在金屬顆粒外包裹的有色顏料厚度過薄，不利于降低亮度，過厚則導(dǎo)致紅外發(fā)射率過高。因此，降低鋁顏料的亮度和保持高紅外反射率成為亟需解決的問題。

表面等離激元具有光的選擇性吸收、局域電場增強等特殊的光學(xué)性質(zhì)，在納米傳感器、光開關(guān)器件、光邏輯運算等方面有廣泛的應(yīng)用前景。局域表面等離激元共振(LSPR)主要表現(xiàn)在金屬納米顆粒中，共振特性受到金屬顆粒的材料、結(jié)構(gòu)、形狀、尺寸等因素影響，是金屬納米尺度結(jié)構(gòu)吸收體的基礎(chǔ)。在紅外或可見光范圍內(nèi)的納米結(jié)構(gòu)吸收體可以采用光刻技術(shù)刻畫金屬結(jié)構(gòu)，但這使得它們本身很難用于大面積生產(chǎn)，從而降低了它們的適用性，也可以使用磁控濺射鍍膜以及化學(xué)合成金屬納米顆粒并使其隨機覆蓋表面的方法，增加實際操作的可行性。吸收體結(jié)構(gòu)主要為金屬納米顆粒/介質(zhì)/金屬薄膜，由于中間層和上層的薄膜為納米尺度，厚度非常小，對紅外發(fā)射特性的影響較小，因此是實現(xiàn)低亮度低紅外發(fā)射率的一種新的選擇。

銀立方體/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)可以在固定共振峰位置實現(xiàn)大面積的上乘吸收。2012年，Moreau等利用逐層沉積法在金膜表面加入厚度可控的聚合物隔離層，將化學(xué)合成的銀納米立方體隨機吸附到金膜上，從而創(chuàng)造一種新的超材料吸收體結(jié)構(gòu)，當(dāng)隔離層厚度為5~10 nm時，有效吸收率*高。但銀立方體顆粒制備過程較為復(fù)雜，共振吸收范圍較為狹窄，納米顆粒覆蓋均勻度可控性比較低?？梢酝ㄟ^改變納米顆粒的大小和間隔層的厚度來定制反射光譜。

除此之外，金納米顆粒/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)和其他特殊納米結(jié)構(gòu)也可以實現(xiàn)可見光波段的吸收，2013年，Shen等利用LSPR設(shè)計了亞微米尺度的周期性金蘑菇陣列，其機制為多種等離子體共振模式相耦合，表現(xiàn)為狹窄的半高寬和高折射率靈敏度。2016年，Jeon等設(shè)計了一種可電控的由聚苯胺包裹的金立方體納米結(jié)構(gòu)，通過施加電勢，實現(xiàn)了金納米核局域表面等離子體共振峰的可逆調(diào)諧，從而產(chǎn)生電致變色現(xiàn)象。金的化學(xué)性質(zhì)比銀更穩(wěn)定，金納米顆粒的制備工藝也更為成熟簡便。

利用表面等離激元模式實現(xiàn)薄膜的可見高吸收紅外高反射機制的研究先例較少，將表面等離激元應(yīng)用于降低亮度的同時保持紅外高反射特性的薄膜設(shè)計具有重要意義。本文利用濺射鍍膜法和化學(xué)合成法制備得到不同尺寸的金納米顆粒(AuNPs)，完成了基于等離激元共振腔的AuNPs/SiO2/Al薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合上等數(shù)值仿真軟件對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，使用紫外可見分光光度計和傅里葉紅外光譜儀測試其可見光和遠(yuǎn)紅外波段反射譜，較系統(tǒng)地研究了等離激元模式在納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜中的應(yīng)用前景。

結(jié) 論

(1)采用等離激元共振腔機制可以同時實現(xiàn)低亮度、高紅外反射性能，薄膜具備較好的均勻度，制備方法簡便易行，實驗可重復(fù)性較高，成本較低，在金屬膜基礎(chǔ)上增加的厚度為納米量級，不會對其本身特性造成很大影響，具有研究價值。

(2)金屬材料、納米顆粒形狀尺寸、介質(zhì)層厚度、結(jié)構(gòu)周期等參數(shù)均會影響AuNPs/SiO2/Al薄膜的可見光波段和遠(yuǎn)紅外波段反射性能，通過進(jìn)一步調(diào)節(jié)影響參數(shù)，可以獲得更多滿足不同性能要求的涂層。

(3)所設(shè)計薄膜在遠(yuǎn)紅外波段反射率*低達(dá)到2.29%，比在金屬顆粒中直接添加著色顏料的方法具有顯著優(yōu)勢。

(4)所設(shè)計薄膜在可見光波段吸收率*高達(dá)到64.07%，距離上乘吸收的目標(biāo)還有一定空間，這可能是受到薄膜顆粒均勻及顆粒間距的影響。不同尺寸納米顆粒的共振峰位置不同，通過將不同尺寸納米顆粒同時覆蓋在介質(zhì)層表面，有助于實現(xiàn)可見光波段的寬頻吸收。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

1.2 薄膜制備裝置

1.3 分析測試儀器

1.4 AuNPs/SiO2/Al薄膜的制備

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 AuNPs/SiO2/Al薄膜的制備與表征