在鍍銀薄膜上納米壓印形成的三維球形結(jié)構(gòu)的光譜選擇性減反射

我們使用聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)模具，使用高分辨率和低成本的UV納米壓印光刻技術(shù)制造蛾眼抗反射(AR)涂層。分析了幾種不同厚度的銀膜放置在蛾眼結(jié)構(gòu)上的反射率和透射率。在PET上，錐形納米結(jié)構(gòu)表面陣列的空間周期長(zhǎng)度約為250nm，直徑約為200nm，高度約為160nm。之后，在PET襯底表面沉積了一層18nm的銀(Ag)層。采用鎳模電鍍、干涉光刻、復(fù)制等方法制備了無(wú)限蛾眼形狀的模子。我們發(fā)現(xiàn)，在AR薄膜上，適當(dāng)厚度的Ag層在可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)具有較高的透過(guò)率(*高為72%)，而在紅外光譜中具有較高的反射率(至少為60%)。在亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(ASS)抗反射表面鍍上一層銀涂層的光學(xué)薄膜，其隔熱等性能在家庭和車輛的窗戶上具有明顯的應(yīng)用價(jià)值。

隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)娛樂(lè)的需求越來(lái)越高，因此，光的特性顯然成為重要的課題。為了避免不必要的反射，數(shù)字屏幕、太陽(yáng)能電池板、照明和光學(xué)、車輛隔熱、店面、建筑玻璃等方面的眩光和鬼影非常重要?？狗瓷?AR)涂層是目前用于消除外部反射的一種方法。由于抗反射涂料在建筑玻璃、太陽(yáng)能光伏器件、激光系統(tǒng)、發(fā)光二極管(LED)、顯示屏等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此被廣泛研究。目前，降低反射率的方法主要有兩種。**種方法類似于薄膜技術(shù)，使用高折射率層和低折射率層。**種，在增透結(jié)構(gòu)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)的，是一種不均勻的薄膜，其折射率在逐漸變化。在涂層多層薄膜中，當(dāng)光線穿過(guò)薄膜表面時(shí)，高折射率層和低折射率層的多層修飾將入射光束分離為反射光束和透射光束。如果光學(xué)薄膜厚度(折射率乘以薄膜厚度)是入射光波長(zhǎng)的四分之一的奇數(shù)倍，則反射波會(huì)對(duì)入射波產(chǎn)生破壞性干擾。*終，在給定的預(yù)期位置，反射近似于零。在寬頻帶中，要達(dá)到極低的反射，目前*好的解決方案是在特定波段內(nèi)具有多層和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的減反射膜。雖然薄膜技術(shù)已經(jīng)成熟，但涂層材料仍然存在局限性，而且薄膜堆疊的物理和化學(xué)性質(zhì)也存在影響熱失配、附著力和穩(wěn)定性的問(wèn)題。因此，抗反射結(jié)構(gòu)表面(ARS)被提出作為一種替代。該技術(shù)涉及將元件表面和用于減反射的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)分層，以形成防眩光亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)(ASS)表面。

*近，研究人員不得不用3D納米結(jié)構(gòu)AR膜制作高效的AR材料以獲得更好的抗反射效果。其中，與傳統(tǒng)的多層增透涂層相比，靈感來(lái)源于自然的蛾眼納米結(jié)構(gòu)具有寬帶性能好、閃光小、廣角入射光透過(guò)率提高等優(yōu)點(diǎn)。它被認(rèn)為是一種成功的方法，可以提高顯示器的可見(jiàn)性和光電轉(zhuǎn)換效率，還可以有效地阻擋大部分輻射熱。此外,近年來(lái)，全球變暖、能源枯竭、氣候變化和其他與環(huán)境相關(guān)的問(wèn)題導(dǎo)致了綠色技術(shù)的出現(xiàn)。因此，綠色能源技術(shù)一直是研究的溫床。有一種簡(jiǎn)單的方法可以減少能源的使用，將建筑物或汽車的窗戶作為一個(gè)帶通濾波器，在紫外線和紅外光譜區(qū)域?qū)﹃?yáng)光的透過(guò)率較低，而在可見(jiàn)光譜范圍有足夠的透過(guò)率。很明顯，具有上述功能的薄膜，通常被稱為隔熱膜，并使用飛蛾眼表面制造，會(huì)將玻璃粘在一起。目前成功合成蛾眼AR表面的方法有電子束光刻(electron beam lithography)、干涉光刻(interference lithography)膠體光刻(colloidal lithography)等。如上所述，連續(xù)納米壓印可能是工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)蛾眼AR表面的*理想技術(shù)，用于汽車隔熱板等產(chǎn)品。不僅要減少反射，還要具有透明度、機(jī)械強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點(diǎn)。使用納米印跡技術(shù)來(lái)創(chuàng)建有效的蛾眼AR聚合物薄膜已被報(bào)道。然而，在將該技術(shù)投入實(shí)踐之前，必須克服各種問(wèn)題，包括特征的脆弱性，從大氣中吸附污染物，以及可能隨著時(shí)間的推移而退化等等。因此，為了解決上述問(wèn)題，在蛾眼的結(jié)構(gòu)上涂上了銀膜，制成了光反射率低、紅外光穿透率低的隔熱膜。銀膜在空氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有較高的穩(wěn)定性、良好的力學(xué)和附著力，因此具有重要的應(yīng)用價(jià)值。此外，銀在可見(jiàn)區(qū)域的反射率較低，在紅外光譜上的反射率高于鋁，適用于鍍膜保溫。由于本研究未來(lái)可應(yīng)用于汽車隔熱和綠色建筑，因此所研制的AR膜在紫外和紅外波段需要高反射，在可見(jiàn)光波段需要低反射。傳統(tǒng)的保溫膜主要采用多層光學(xué)膜涂層或金屬膜涂層來(lái)阻擋紫外線和紅外線。一般薄膜將光線阻擋在紅外和紫外波段時(shí)，容易使光線的透光度大大降低，影響室內(nèi)采光;同時(shí)，由于窗面反射率高，光線被金屬表面反射后，會(huì)引起內(nèi)部反射，容易產(chǎn)生明顯的反射。目前市售的隔熱膜能阻隔99%以上的紫外線和35~97%的紅外線。因此，本研究擬在阻擋大量熱輻射的前提下，利用銀膜制作蛾眼結(jié)構(gòu)，希望能提高光穿透能力，減少內(nèi)側(cè)反射。許多研究已經(jīng)證明了各種基于蛾眼結(jié)構(gòu)的金屬涂層。補(bǔ)充表SI顯示了基于不同金屬基蛾眼結(jié)構(gòu)的參數(shù)及反射率和透射率的比較。從表S1可以看出，用允許的制造方法可以形成金屬的蛾眼結(jié)構(gòu)。

在整個(gè)研究過(guò)程中，我們研究了蛾眼AR表面涂有不同厚度的銀層的使用。我們預(yù)計(jì)在850nm到1800nm的光譜范圍內(nèi)有高反射，在400到800nm之間有高透射。本研究提出了在這一作用中使用銀層的實(shí)驗(yàn)研究。我們將這些樣品與廣泛使用的商業(yè)樣品進(jìn)行比較。這些商業(yè)產(chǎn)品在紅外光譜范圍和紫外光譜范圍內(nèi)對(duì)日光的透過(guò)率都不低，在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)的透過(guò)率也相對(duì)較小。本研究制備的隔熱膜性能明顯優(yōu)于商用產(chǎn)品。我們的研究結(jié)果表明，在可見(jiàn)光譜區(qū)域，具有銀層產(chǎn)生抗反射亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)表面的元素具有良好的透過(guò)率和*小的眩光，而在紅外范圍，它具有高反射率。

為了提高轉(zhuǎn)換效率，必須利用不同折射率層的累積形成抗反射(AR)涂層來(lái)降低陽(yáng)光的反射。這種結(jié)構(gòu)可以改變有效的反射指數(shù)。圖1描述了制作步驟。首先，將UV可固化的液體材料輸送到as凹腔中的Ni模板上。為了防止氣泡被困在樹(shù)脂層中，將由柔性聚酯(PET)薄膜制成的ASS襯底放置在所分配的樹(shù)脂上。采用日本大阪Toyobo株式會(huì)社生產(chǎn)的Toyobo PET薄膜(厚度185μm)。紫外線不能穿透PET薄膜。PET薄膜涂層模板然后層壓與高度控制輥，從一邊移動(dòng)到另一邊，去除多余的樹(shù)脂和控制UV樹(shù)脂層厚度。因此，涂層樹(shù)脂層的厚度為200μm。實(shí)驗(yàn)使用波長(zhǎng)范圍為250~420nm的紫外光。它的曝光強(qiáng)度是40mW/cm2在365nm波長(zhǎng)，由光度計(jì)給出。然后我們將樣品固化12分鐘，并在室溫下固化樹(shù)脂。接下來(lái)，我們從Ni模具中去除帶有ASSs的柔性PET薄膜。利用先進(jìn)的等離子體增強(qiáng)磁控濺射(PEMS)系統(tǒng)，我們?cè)趤啿ㄩL(zhǎng)結(jié)構(gòu)上沉積了一層銀。為了分析銀層的光學(xué)特性以及亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，PET襯底上銀層的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)具有18、25、50和75nm的厚度。在本研究中，使用JascoV-570型商用分光光度計(jì)測(cè)量透射率和反射率。對(duì)這些特性的測(cè)量落在零階范圍內(nèi)。

*后討論了三種保溫膜的透光率差異，包括兩種商用保溫膜和目前研制的保溫膜。Sun Mark技術(shù)通過(guò)納米研磨/分散技術(shù)利用納米顆粒轉(zhuǎn)換性能。

圖1.納米壓印法減反射原理圖。