一种超薄光学功能薄膜及其制备方法

本申请涉及光学薄膜，具体而言，涉及一种可高效吸收全波段可见光的超薄光学功能薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、光吸收器件能够吸收光能并将其转化为其它形式的能量，例如电能，在光电探测、太阳能电池、光学滤波、大气环境监控等领域有着重要应用。若光吸收器件能够实现宽光谱、高效率的光吸收，则可以进一步提升能源利用效率、提高设备性能、节省资源等等。

2、目前主流的宽波段光吸收结构，主要是由平面多层膜、金属微纳结构组成的，但是这些光吸收结构均存在吸收波段较窄、无法对全波段可见光进行高效吸收，整体厚度较厚、无法与其它光学元器件或设备进行集成的问题。

3、因此，需要研发一种超薄超薄光学功能薄膜，以对覆盖全波段可见光的宽波段光谱进行高效吸收。

4、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种超薄光学功能薄膜及其制备方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的超薄光学功能薄膜存在吸收波段窄、无法对全波段可见光进行高效吸收以及无法与其它光学元器件或设备进行集成的问题。

2、根据本申请的第一个方面，提供一种超薄光学功能薄膜，包括：由下至上依次设置的反射层、介质层和光吸收层；其中，所述光吸收层是由三维拓扑绝缘体材料制备的纳米柱阵列，所述纳米柱阵列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm；所述超薄光学功能薄膜的厚度为一百纳米级，用于对400～1000nm波段的光进行高效吸收。

3、在本申请的示例性实施例中，所述反射层的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm；所述介质层的厚度大于或等于25nm且小于或等于50nm；所述超薄光学功能薄膜的总厚度大于或等于75nm且小于或等于125nm。

4、在本申请的示例性实施例中，所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率与所述纳米柱阵列的厚度h、纳米柱半径r和纳米柱排列周期p满足以下关系：

5、当0＜r≤p时，在所述介质层的厚度大于或等于25nm且小于或等于35nm、r大于或等于130nm或小于或等于140nm、h大于或等于15nm且小于或等于25nm、p大于或等于300nm且小于或等于320nm的条件下，所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％；

6、当时，所述纳米柱阵列转换为纳米薄膜。

7、在本申请的示例性实施例中，所述纳米柱阵列转换为纳米薄膜时，当所述介质层的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm，并且所述光吸收层的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm时，所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

8、在本申请的示例性实施例中，所述介质层和所述光吸收层的厚度是根据所述超薄光学功能薄膜在400nm～1000nm波段中的平均光吸收率确定的，所述平均光吸收率是根据所述波段中各波长处的光吸收率确定的，其中，各波长处的光吸收率与所述超薄光学功能薄膜的体积、表面积、吸收功率和输入功率之间满足关系式(1)：

9、

10、其中，α为所述光吸收率，v为所述超薄光学功能薄膜的体积，c为光速，ε为材料的介电常数，ein为入射光振幅，s为所述超薄光学功能薄膜的表面积，θ为光的入射角，w(x,y)为入射光的功率耗散密度，∫∫∫vw(x,y)dv为所述超薄光学功能薄膜的吸收功率，ε0为绝对介电常数，ω为空气中光的角频率，ε”(x,y)为所述超薄光学功能薄膜的相对介电常数的虚部，e(x,y)为所述超薄光学功能薄膜的电场分布。

11、在本申请的示例性实施例中，所述反射层为金属反射层、金属掺杂氧化物反射层或电介质薄膜反射层；所述介质层为无机氧化物介质层、无机非氧化物介质层、金属氧化物介质层或高分子聚合物介质层；所述三维拓扑绝缘体为碲化锑、碲化铋或硒化铋。

12、根据本申请的第二个方面，提供了一种超薄光学功能薄膜的制备方法，应用于上述实施例中的超薄光学功能薄膜，包括：对衬底进行抛光，在抛光后的所述衬底上依次镀制反射层、介质层和三维拓扑绝缘体薄膜；

13、对所述三维拓扑绝缘体薄膜进行刻蚀制备纳米柱阵列，并将所述纳米柱阵列作为光吸收层；其中，所述纳米柱阵列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，所述反射层、所述介质层和所述光吸收层的总厚度为一百纳米级。

14、在本申请的示例性实施例中，所述在抛光后的所述衬底上依次镀制反射层、介质层和三维拓扑绝缘体薄膜，包括：

15、在抛光后的所述衬底上进行磁控溅射镀制所述反射层；

16、在所述反射层上进行磁控溅射或者热蒸镀，镀制所述介质层；

17、在所述介质层上进行磁控溅射或者原子束沉积，镀制所述三维拓扑绝缘体薄膜。

18、在本申请的示例性实施例中，所述对所述三维拓扑绝缘体薄膜进行刻蚀制备纳米柱阵列，包括：

19、采用聚焦离子束、电子束或者激光加工技术对所述三维拓扑绝缘体薄膜进行刻蚀，以制备所述纳米柱阵列。

20、在本申请的示例性实施例中，所述纳米柱阵列中纳米柱的半径为r、排列周期为p、高度为h；所述方法还包括：

21、当0＜r≤p时，通过控制所述反射层的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm、所述介质层的厚度大于或等于25nm且小于或等于35nm、r大于或等于130nm且小于或等于140nm、h大于或等于15nm且小于或等于25nm、p大于或等于300nm且小于或等于320nm，以使所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％；

22、当时，所述纳米柱阵列转换为纳米薄膜，通过控制所述反射层的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm、所述介质层的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm、由所述纳米薄膜形成的光吸收层的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm，以使所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

23、本申请中的超薄光学功能薄膜，包括由下至上依次设置的反射层、介质层和光吸收层，光吸收层是由三维拓扑绝缘体纳米柱阵列组成，该纳米柱的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，超薄光学功能薄膜的厚度为一百纳米级，用于对400～1000nm波段的光进行高效吸收。本申请中的超薄光学功能薄膜，一方面仅由三层组成，结构简单，制备简单，易于大面积制备；另一方面，超薄光学功能薄膜的厚度仅为一百纳米左右，并且还能对覆盖全波段可见光的宽波段光谱进行高效吸收，在降低制备成本的同时，提高了光吸收波长范围和光吸收效率，进一步地，还降低了超薄光学功能薄膜与其它光学元器件或设备进行集成的难度。

24、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种超薄光学功能薄膜，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于：所述反射层的厚度大于或等于40nm且小于或等于50nm；所述介质层的厚度大于或等于25nm且小于或等于50nm；所述超薄光学功能薄膜的总厚度大于或等于75nm且小于或等于125nm。

3.根据权利要求2所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于：所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率与所述纳米柱阵列的厚度h、纳米柱半径r和纳米柱排列周期p满足以下关系：

4.根据权利要求3所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于，所述纳米柱阵列转换为纳米薄膜时，当所述介质层的厚度大于或等于45nm且小于或等于50nm，并且所述光吸收层的厚度大于或等于10nm且小于或等于15nm时，所述超薄光学功能薄膜的平均光吸收率大于或等于85％且小于或等于92％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于：所述介质层和所述光吸收层的厚度是根据所述超薄光学功能薄膜在400nm～1000nm波段的平均光吸收率确定的，所述平均光吸收率是根据所述波段中各波长处的光吸收率确定的，其中，各波长处的光吸收率与所述超薄光学功能薄膜的体积、表面积、吸收功率和输入功率之间满足关系式(1)：

6.根据权利要求1所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于：

7.一种超薄光学功能薄膜的制备方法，应用于如权利要求1-6中任一项所述的超薄光学功能薄膜，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在抛光后的所述衬底上依次镀制反射层、介质层和三维拓扑绝缘体薄膜，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对所述三维拓扑绝缘体薄膜进行刻蚀制备纳米柱阵列，包括：

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述纳米柱阵列中纳米柱的半径为r、排列周期为p、高度为h；所述方法还包括：

技术总结本申请属于光学薄膜技术领域，涉及一种超薄光学功能薄膜及其制备方法，包括：由下至上依次设置的反射层、介质层和光吸收层；其中，所述光吸收层是由三维拓扑绝缘体材料制备的纳米柱阵列，所述纳米柱阵列的厚度大于或等于10nm且小于或等于25nm，并且所述超薄光学功能薄膜的厚度为一百纳米级，用于对400～1000nm波段的光进行高效吸收。本申请中的超薄光学功能薄膜的结构和制备工艺简单、制备成本低，可以对全波段可见光和部分近红外波段的光进行高效吸收，并且整体厚度仅为一百纳米级，易于与光学元器件及设备进行集成。技术研发人员：陆华,李頔琨,赵建林受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29