红外抗反射微纳结构刻蚀制备研究进展

“蛾眼效应”指光波折射率因蛾眼表面微纳结构在深度方向呈连续性变化,使大部分光被吸收,只有极少被反射的现象。受“蛾眼效应”启发,在材料表面制备微纳结构使其具有独特抗反射性能受到广泛关注,在太阳能电池、光电探测器、光电二极管和军事隐身等领域有广阔应用前景。本文梳理不同微纳结构抗反射原理,并对红外抗反射结构的不同刻蚀制备方法及其应用进行综述,总结了化学刻蚀、反应离子刻蚀、超快激光刻蚀等红外抗反射结构制备方法的特点以及对抗反射性能的影响,阐述红外抗反射结构在红外探测、红外热成像和隐身等方面的应用,并对抗反射结构制备方法研究方向与未来前景进行展望。

纳秒-飞秒激光复合制备TC4合金高抗反射表面

单一使用皮秒或者飞秒激光器制备抗反射表面已经可以取得很好的结果,但是其加工效率不满足工业生产的需要。提出利用纳秒-飞秒激光复合制备金属高抗反射表面的方法和思路。使用纳秒、飞秒两种激光器对TC4钛合金表面进行刻蚀处理,在金属表面引入微纳米结构,使其在电磁波波长200~2500 nm间的反射率降低至2%以内并分析作用机理。首先利用纳秒激光在TC4钛合金表面刻蚀槽状结构,该结构在波长200~2500 nm的最佳平均反射率为5.76%,飞秒激光扫描后,平均反射率降低至3.5%。然后,构造复合结构在槽状结构基础上进一步优化金属表面的抗反射性能,在波长200~2500 nm的最佳平均反射率为1.87%。最后,制备复合结构,制备中其表面形貌呈现出对齐状和蜂窝状两种微孔排列方式。设计并验证控制激光脉冲起始位置方法,可制备出稳定蜂窝状结构,蜂窝状孔排列的复合结构在波长200~2500 nm的最佳平均反射率可降低至1.63%。单位面积内蜂窝状复合结构的有效表面占比更大;同时可以附着更多的纳米颗粒,由于纳米粒子的激元共振效应,加之纳米颗粒团尺寸不同,其吸收峰从单一频率拓宽至一个频率带,金属表面的光吸收性能提升。复合制备的抗反射表面性能达到甚至超越单一使用飞秒或皮秒激光器制备的金属抗反射表面,并且不改变金属本身的性质,对其他对金属表面降低反射率有借鉴作用。

硫化锌表面微结构抗反射特性的理论模拟及制备

针对硫化锌表面微纳米结构在中远红外波段7~10μm的增透性能开展理论及实验研究。基于时域有限差分软件建立物理模型,理论研究微结构参数变化对减反性能产生的影响,依据红外光谱值分布图宏观展示微结构参数与透过率的关系。利用飞秒激光在空气环境中制备不同规格的微纳米结构阵列,通过实验实现了设计的结构。分别测试样品在中远红外波段7~10μm范围内透过率,其中8μm的网格结构在8.5~10μm波段的平均透过率可提高4%,在10μm波长处透过率提升7%。实验结果表明所制备的结构具有良好的抗反射性能。对比结果显示实验所示透过率变化趋势与仿真结果具有一致性。

抗反射水凝胶蒸发器的制备及其用于污水处理研究

太阳能驱动的界面水蒸发已成为获取淡水资源的有效途径,但是蒸发过程中的热量损失会造成蒸发系统的能量利用效率较低。对水凝胶蒸发器的表面形貌进行合理的微观调控可以有效地提高能量利用率。通过模板法在水凝胶表面构造抗反射结构,提高光吸收;同时,在水凝胶中掺杂适量光催化剂可以使水中的有机污染物原位降解,蒸发后的水中污染物降解率达到了91%,说明污水被有效净化。通过优化光热材料生长时间和光催化剂的掺杂量,水凝胶的蒸发速率达到1.34kg/(m^(2)·h),光热转换效率达到83%。

二维抗反射亚波长周期结构光栅的设计分析

利用严格耦合波理论(RCWA)和等效介质理论(EMT)研究了二维抗反射亚波长周期结构光栅的设计问题。以立方体和柱状单台阶网格光栅和金字塔形及圆锥形多台阶光栅为例,主要研究了占空比和表面面形对反射率的影响。通过计算发现,当光栅周期足够小的时候,光栅面形对反射率没有影响,同时占空比严重影响着光栅的特性,这对设计制造抗反射光栅非常有用。同时也研究了等效介质理论的适用性。

亚波长浮雕结构的红外抗反射研究

基于等效媒质理论 ,对周期性浮雕结构的抗反射特性进行了分析和研究 .给出了二维对称的抗反射浮雕结构等效光学参数的估算方法 .提出了基于最小特征尺寸考虑的脊基和隙空的设计概念 .利用离子束刻蚀工艺技术 ,在 Si片上制备了一种两维红外抗反射浮雕图案 .测试结果表明 ,这种表面结构像单层抗反射膜一样 ,具有很好的增透效果 ,表面结构的等效折射率相当于镀层材料折射率 ,而刻蚀深度则相当于镀层的 1/ 4波长厚度 .

亚波长纳米结构宽波段抗反射特性

研究了玻璃(折射率n=1.52)表面周期性台阶结构的宽波段抗反射特性。利用等效媒质理论,对单台阶和二台阶结构进行了参数设计,并用严格耦合波理论对设计的台阶结构进行了入射光波长、入射角的反射效率、反射级次特性分析计算。研究结果表明:当亚波长纳米结构的周期低于周期阈值时,随着入射波长的增加只有零级衍射;台阶层数的增加,可增加红外抗反射入射波长和入射角的范围。二台阶结构可以在可见光和整个红外波段的反射率都低于1%。在玻璃表面上制备的台阶结构和基底为一体,这种方法克服了抗反射膜层的许多不足,其附着力、抗蚀刻、渗透扩散等问题均不存在,适用于受温度和湿度等环境因素影响较大的可见光及红外抗反射器件的设计和制作工艺中。

蓝宝石红外窗口抗反射浮雕结构研究

采用相应技术,在红外材料表面制成的亚波长浮雕结构能实现红外波段的减反功能。在恶劣环境中,红外窗口采用该结构代替红外减反膜能够提高其抗蚀、抗冲击等性能。通过等效媒质理论设计亚波长浮雕单元结构,采用光刻及离子蚀刻方法完成蓝宝石材料表面浮雕结构制作,经测试红外透过率整体提高大约10%。经分析,浮雕结构的周期、占空比、单元深度等因素都对减反结果影响很大。

宽波长太阳能电池抗反射层结构设计

为了降低太阳能电池表面对入射光的反射,提高其光电转换效率,设计了入射光谱在400～1100nm宽波长范围内的二维亚微米抗反射层结构。该结构主要由高折射率ZnS膜层、低折射率MgF2膜层及二维亚微米光栅层等组成。采用严格耦合波分析理论计算了此结构的反射特性,当ZnS膜层、MgF2膜层、光栅深度及光栅周期分别为50nm、150nm、200nm及400nm,入射角在0～80°变化时,其平均反射率为7.76%。计算结果表明:所设计的抗反射层结构可有效降低太阳能电池表面对入射光的反射,从而提高其光电转换效率。

超快激光制备金属表面微纳米抗反射结构进展

材料表面抗反射性能在太阳能利用、光电子产品、红外传感和成像、军事隐身、以及航空航天等领域均具有重要应用价值。文中对材料表面抗反射特性的重要用途、人工实现路径、表面抗反射结构的研究现状及存在的问题等做了详细的论述。目前，国内外学者已经利用碳纳米管涂层和硅表面针状纳米结构实现了优异的超宽波谱抗反射性能。但迄今为止，金属表面微纳米结构的抗反射能力仍有很大的改善空间。作者所在的清华大学材料学院激光加工研究团队运用新一代高功率高频率超快激光，在金属表面制备出多种类型的特征微纳米结构，对其抗反射性能进行系统研究，实现了紫外一可见、紫外一近红外、紫外一中红外与紫外一远红外分别为2％、6％、5％和8％的超宽光谱超低反射率，并且在0～60°入射角度范围内无明显变化。进一步在微纳米结构基础上发展了“宏一微纳一纳米线”多级多尺度复合结构，在16—17μm波长处的总反射率低至0．6％，在14—18μm波长处总反射率不超过3％。上述优异超宽光谱抗反射性能预期具有良好应用前景。

膜厚对导电氧化锌宽带抗反射涂层的太赫兹传输影响

利用直流磁控溅射方法,在石英基底上制备了可用于太赫兹电磁波频率范围内的宽带抗反射涂层的掺铝氧化锌导电薄膜。在太赫兹时域光谱频率0.1~1.0THz范围内研究不同厚度的氧化锌薄膜的介电响应,得到了与频率相关的电导率、吸收和薄膜折射率,着重研究了膜厚对太赫兹波传输特性的调制作用。实验结果很好地符合了经典的Drude模型,表明可以通过控制氧化锌薄膜的厚度来改变太赫兹波的传输特性,并且导电氧化锌薄膜能够作为太赫兹频段范围的宽带抗反射涂层应用于衬底和光学器件上。

仿生蛾眼抗反射结构成像系统研制

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构,该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜,平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况,得出在设计波段内,随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算,利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm,F数为5,视场角13°,光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示,蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言,对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。

土工织物用于沥青加铺层抗反射裂缝的力学与效果分析

由于土工织物具有优良的整体性、连续性和耐久性等物理力学性能，因而应用于沥青加铺层可以防止沥青面层过早干裂，提高其抗永久变形能力，有效地防止沥青面层的反射裂缝。许多试验资料表明土工织物的应用可以在相同的面层厚度情况下，提高路面的抗反射裂缝能力，从而增加路面的使用寿命。本文主要分析了土工织物用于沥青加铺层路面抗反射裂缝的力学效果。

超亲水抗反射氢氧化镧/二氧化硅纳米涂层的制备及表征

目的制备及表征超亲水抗反射氢氧化镧/二氧化硅纳米涂层。方法用低氯根氧化镧的氢裂解悬浮液在载玻片制备自堆集成的氢氧化镧薄膜。制备光学性能好的氢氧化镧薄膜关键在于制备氢氧化镧纳米棒分散良好的悬浮液。结果氢氧化镧薄膜的覆盖导致了可见光波段反射光损失的显著减少,具有潜在的单层抗反射功能,而且氢氧化镧薄膜还具有高粗糙度和多孔性使其极易获得超亲水性修饰。当直径为20 nm的二氧化硅沉积在高粗糙度的氢氧化镧薄膜时,获得了源自于纳米多孔结构的超亲水性和防雾特性,而其抗发射特性没有损失。结论该研究利用低氯根氧化镧的氢裂解悬浮液成功在玻璃底片表面涂层了氢氧化镧纳米棒薄膜。氢氧化镧二氧化硅纳米薄膜由于制备简便,且具有超亲水性和抗反射性双重功能,因而能够得到更加广泛的应用。

抗反射亚波长光栅的特性研究

利用矢量衍射理论的数值求解方法，研究了亚波长光栅结构参数对反射率的影响，特别是基底厚度对反射率的影响，这些为设计和制作具有优良的抗反射性能的二元光学元件提供了设计依据。

基于微腔-抗反射谐振杂化模式的吸收增强型有机太阳能电池的理论研究

有机太阳能电池中的微腔模式可以在谐振波长附近增强光与物质的相互作用,提高有源层的光吸收,但是其内禀的窄带宽特性限制了器件的宽频谱吸收性能.本文提出一种模式杂化机制,通过在器件外部引入盖层,激发盖层内支持的抗反射谐振模式,使其与器件内在的微腔模式发生耦合作用,形成两个新的杂化模式.杂化模式可以拓宽模式谐振带宽,有利于增强太阳能电池的宽频谱光吸收.理论计算表明,通过设计杂化模式的谐振位置,基于模式杂化机制的平板器件的最优化总吸收率相比传统的微腔器件的最优化性能提高了37%,并同样优越于广泛研究的基于表面等离激元的光栅机制,这证明提出的模式杂化机制是一种简单高效的光束缚机制.

用^(32)S离子辐照法研究聚酯膜在红外光区的抗反射性能

为研究圆锥形径迹孔与多层镀膜结合对改善材料在红外光区的抗反射性能的影响,采用HI-13串列加速器提供的32S离子分别辐照20μm和50μm厚的聚酯,用氢氧化钠和PEW溶液蚀刻后,两种聚酯表面的潜径迹成为孔径分别为0.5μm和3μm的径迹孔。在有径迹孔的样品表面,用真空蒸发依次镀上不同厚度的银、石墨和氟化镁或石墨和氟化镁。在2.5~10μm波段的红外光区测量表面全反射。结果显示,有径迹孔的样品表面镀上石墨和氟化镁后反射率可低至1%。径迹孔较深或两面有径迹孔且两面镀膜的样品,具有较强的材料表面抗反射性能。

红外30μm亚波长抗反射光栅的制作

利用严格耦合波理论设计出亚波长抗反射光栅 ,并通过等离子体辅助刻蚀制作出了立方状抗反抗光栅 .测量结果发现该光栅具有良好的增透特性 ,并且测得光栅参数和理论设计参数基本一致 ,表明等离子体辅助刻蚀是制作深光栅的有效方法 .对实验结果进行了分析和讨论 ,结果表明 。

超快激光制备金属抗反射表面的研究进展

金属材料抗反射表面在太阳能电池、光电子产品和军事隐身等领域具有广泛应用,制备微结构的金属抗反射表面具有极大地挑战性,通常这种结构是通过相当复杂和耗时的技术制备。超快激光微加工技术刻蚀的微纳抗反射结构具有可控、稳定、环保且单步制备等特点,已成为近年来的研究热点。梳理抗反射表面的理论模型及影响因素,概述国内外超快激光刻蚀抗反射表面的结构类型,提出未来超快激光制备金属微纳结构可能在太阳能电池的开发和利用、军事隐身及环保产品的应用等领域得到应用。最后,总结超快激光刻蚀制备抗反射微纳结构表面存在的问题,并对超快激光加工微纳结构抗反射多功能表面的应用前景进行展望。结果表明:超快激光在金属表面织构能够制备纳米、微米和微纳混合多种类型的微纳结构,实现了金属表面多种波段的超宽波谱的低反射率。随着波长的增加,具有微纳米结构的金属表面的反射率比具有相对光滑结构的金属表面的反射率增加得更慢。对超快激光制备金属抗反射表面在各领域的应用研究有一定的理论依据与参考意义。

橡胶沥青混合料抗反射裂缝性能研究

为比较橡胶沥青的抗反射裂缝性能,采用Overlay Tester试验表征混合料的抗反射裂缝性能,选择应力损失率及裂缝扩展速率作为评价沥青混合料抗反射裂缝性能的主要指标,辅以初始最大荷载,比较不同级配、不同沥青的混合料抗反射裂缝性能,并基于不同级配混合料的试验结果将OT试验结束条件进行了修正。对2.36、4.75 mm筛孔、软化点、韧度比等多个因素进行灰色关联分析,确定各因素的影响程度,为基于良好的抗反射裂缝性能的橡胶沥青混合料设计提供一定的思路。