一种结构着色的光子晶体辐射制冷器件及其制备方法

本发明涉及一种制冷器件及其制备方法，尤其涉及一种结构着色的光子晶体辐射制冷器件及其制备方法。

背景技术：

1、随着全球工业化水平的不断发展，能源危机和全球变暖现象已经成为当今世界不可忽视的两大问题。与此同时，许多新兴经济体居民生活质量得到了前所未有的改善，人们对空调制冷的需求大幅上涨。传统的蒸汽式压缩制冷、蒸汽吸收式制冷、吸附式制冷等技术对能源需求量高，并且会将废热排放到大气环境中从而导致全球变暖和城市热岛效应的加剧，已不能完全满足新型环保节能制冷的需求。

2、辐射制冷是一种被动冷却技术，由于其独特的热力学机制，在没有任何额外能量输入的情况下能将物体的热能释放到最大的冷物体—太空，被动辐射制冷技术凭借其环保和无需能源的特性正在受到越来越多人的关注。实现日间被动辐射制冷需满足在太阳光谱波段(0.3～2.5μm)高反射且在红外波段(2.5～20μm)高发射的条件，这种光谱选择性吸收的光学特性是通过特定材料和涂层的微纳米工程来实现的。许多报道的辐射冷却器在冷却性能上取得了不错的成绩，但无论是光子晶体薄膜还是高分子聚合物薄膜，它们为了追求最大限度地实现太阳光谱波段宽带高反射率，因而绝大多数均呈现为白色或镜面状的外观。这种单一的色调对一些面向消费者的行业来说是一个视觉美学上的缺点，例如建筑、汽车部分的应用，彩色的外观可以更具吸引力。

3、而目前行业内一些彩色辐射冷却器件存在着彩色外观与高冷却性能不兼容、染色剂危害环境以及色彩稳定性差等问题，利用结构着色方式开发一种在可见光范围低吸收的彩色日间辐射冷却器具有很大的应用前景。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种在可见光范围低吸收的结构着色的光子晶体辐射制冷器件；

2、本发明的第二个目的是提供上述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法。

3、技术方案：本发明所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件，包括顶部双层角度组合的微圆台三维光栅和底部多层膜结构，所述底部多层膜结构自下而上包括金属层、电介质层和基片。

4、其中，所述的双层角度组合的微圆台三维光栅，包括上层圆台和下层圆台，下层圆台母线和上层圆台母线分别与底面夹角范围分别为30°～40°和60°～70°，光栅周期为4～7μm。

5、其中，所述的金属层为理化性质稳定的高反射率材料，如ag、au、al等中的至少一种，电介质层材料为si3n4和/或hfo2；所述基片为sio2基片。

6、上述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，包括以下步骤：

7、(1)将基片清洗、干燥；

8、(2)在基片上旋涂一层光刻胶，进行前烘，然后在掩模版下进行接触式曝光，之后进行后烘；后烘之后在溶液中显影，得到表面构筑有微光栅互补结构的基片；

9、(3)在表面构筑有微光栅互补结构的基片表面蒸镀一层mgf2，完成后浸入去胶液中剥离残余光刻胶，得到表面沉积有mgf2微结构的基片；

10、(4)利用离子增强化学气相淀积法，在表面沉积有mgf2微结构的基片进行表面sio2的沉积和底部电介质层的沉积，然后在电介质层上蒸镀金属层，制得结构着色的光子晶体辐射制冷器件。

11、其中，步骤(1)中，所述基片为sio2基片；对sio2基片放入乙醇溶液中进行超声清洗，取出后干燥。

12、其中，步骤(2)中，所述光刻胶为nr77-6000py负性光刻胶；光刻胶旋涂转速为4500～5000rpm；在90～120℃的热台上前烘120～150s；在90～120℃的热台上后烘90～120s；接触式曝光时间为0.4～0.5s。

13、其中，步骤(2)中，显影液为浓度2.38％tmah水溶液，显影时长5～6s。

14、其中，步骤(3)中mgf2蒸镀厚度为1.6～2μm。

15、其中，步骤(4)中sio2的沉积厚度与mgf2厚度一致，电介质层的沉积厚度为0.5～1.2μm，金属层的沉积厚度大于100nm。

16、步骤(4)中，将表面沉积有mgf2微结构的基片转移至等离子增强化学气相淀积设备中，进行表面sio2的沉积和底部电介质层的沉积；再至转移至真空蒸镀设备中进行金属层的沉积。

17、沉积mgf2的主要作用是在不影响光谱性能的前提下制备出所需表面微结构，mgf2的沉积稳定性和可控性要远远大于sio2，所以更容易形成目标微结构。

18、有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：

19、(1)本发明为sio2基的微结构辐射冷却器，顶部的角度组合的三维微光栅可使两种微结构角度微结构的发射率波峰波谷相互中和，大幅减小块体sio2在大气窗口波段的阻抗失配，电介质层可进一步增强红外发射率，实现宽光谱红外辐射调控效果；而底部金属反射层可以实现太阳光谱高反射率；

20、(2)本发明使用原料均为常见材料，且丰富易得；

21、(3)本发明采用光刻-镀膜-剥离的制备工艺，制备的微圆台光栅周期为4～7μm，线宽较大，合理控制曝光和显影时间可获得很高的制备成功率高；

22、(4)本发明制备的微圆台光栅高度为1.6～2μm，结构稳定性好，材料用量可控；

23、(5)本发明制备的结构着色的光子晶体辐射制冷器件利用微光栅的多重干涉配合银反射层形成彩虹色特征，在不同光线环境下均具有良好的彩色效果，并在可见光波段没有明显的吸收峰；

24、(6)本发明制备的结构着色的光子晶体辐射制冷器件在太阳波段的平均反射率和红外波段的平均发射率均为0.9以上；

25、(7)本发明制备的结构着色的光子晶体辐射制冷器件在25℃气温的中纬度地区可实现比环境温度平均下降6.1～7.7℃。

技术特征：

1.一种结构着色的光子晶体辐射制冷器件，其特征在于，包括位于顶部的双层微圆台三维光栅和位于底部的多层膜结构，其中，上下两层的微圆台三维光栅母线分别与底面的夹角为不同角度，所述底部多层膜结构自下而上包括金属层、电介质层和基片。

2.根据权利要求1所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件，其特征在于，上层微圆台三维光栅母线与底面夹角为60°～70°，下层微圆台三维光栅母线与底面夹角为30°～40°；双层微圆台三维光栅周期为4～7μm。

3.根据权利要求1所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件，其特征在于，所述的金属层为ag、au、al中至少的一种，电介质层材料为si3n4和/或hfo2。

4.一种权利要求1中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，接触式曝光时间为0.4～0.5s。

6.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，显影液为浓度2.38％tmah水溶液，显影时长5～6s。

7.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中mgf2蒸镀厚度为1.6～2μm。

8.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，前烘的温度为90～120℃，时间为120～150s；后烘的温度为90～120℃，时间为90～120s。

9.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)中光刻胶旋涂转速为4500～5000rpm。

10.根据权利要求4中所述的结构着色的光子晶体辐射制冷器件的制备方法，其特征在于，步骤(4)中sio2的沉积厚度与mgf2厚度一致，电介质层的沉积厚度为0.5～1.2μm，金属层的沉积厚度大于100nm。

技术总结本发明公开了一种结构着色的光子晶体辐射制冷器件及其制备方法，该器件包括位于顶部的双层微圆台三维光栅和位于底部的多层膜结构，其中，上下两层的微圆台三维光栅母线分别与底面的夹角为不同角度，底部多层膜结构自下而上包括金属层、电介质层和基片。其制法为：在基片上旋涂一层光刻胶、前烘，在掩模版下进行接触式曝光、后烘，在溶液中显影，得到表面构筑有微光栅互补结构的基片，在其表面蒸镀一层MgF<subgt;2</subgt;，得到表面沉积有MgF<subgt;2</subgt;微结构的基片，接着进行表面SiO<subgt;2</subgt;的沉积和底部电介质层沉积，最后进行金属层的沉积。本发明的角度组合可使两种微结构角度的发射率波峰波谷相互中和，实现宽光谱红外辐射调控效果；在不同光线环境下均具有良好的彩色效果；平均反射率和红外波段的平均发射率均为0.9以上，实现比环境温度平均下降6.1～7.7℃。技术研发人员：杨理理,王刚,张津瑞,段淑贤受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/11/21