一种金纳米棒光学薄膜
阅读：697发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种金纳米棒光学薄膜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种金 纳米棒 光学 薄膜 ，属于光学薄膜材料技术领域。一种金纳米棒光学薄膜，光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列。其优点是：本发明对不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、双折射器件等，在光学薄膜领域，其容易实现折射率匹配，从而达到 镀 膜 层数较少的情况下具有较高透过率。，下面是一种金纳米棒光学薄膜专利的具体信息内容。
一种金纳米棒光学薄膜
技术领域
[0001] 本发明属于光学薄膜材料技术领域，尤其涉及一种金纳米棒光学薄膜。
背景技术
[0002] 光学薄膜是用物理或化学方法涂镀在玻璃或金属光滑表面上的透明介质膜。光学薄膜利用光波在薄膜中的反射、折射及叠加干涉可以达到减反或增反的效果，还可以起到分光、滤光、调整光束偏振或相位状态等作用。光学薄膜在近代科学技术中有广泛的应用，但是如何减少光波传播过程中的反射也成为了现代光学中的重要课题。
[0003] 光波在传播过程中无反射的状态称为匹配，根据波动光学平行平板的多光束干涉理论，当光波从折射率为n0的介质入射到折射率为nG的介质时，对于单层膜，要使膜系的反射比2
为零，起到全增透作用需满足n=n0nG且nh=λ/4，其中，n为膜折射率，λ为入射波长，h为膜层厚度。对于n0=1，nG=1.5的典型情况，其n=1.22，但目前还找不到这种低折射率的材料，通常使用的低折射率材料是氟化镁，其折射率为1.38，反射率为1.3%，仍不能满足全增透条件。
为零，起到全增透作用需满足n=n0nG且nh=λ/4，其中，n为膜折射率，λ为入射波长，h为膜层厚度。对于n0=1，nG=1.5的典型情况，其n=1.22，但目前还找不到这种低折射率的材料，通常使用的低折射率材料是氟化镁，其折射率为1.38，反射率为1.3%，仍不能满足全增透条件。
[0004] 而对于多层四分之一波长涂层，要求膜系中的各层折射率满足ni2=n(i-1)n(i+1)，其中i为层数。多层四分之一波长膜系可采用契比雪夫设计或二项式设计，然而因为难于找到具有所要求的折射率的多种低损耗材料而难以实现。
[0005] 一种在光学涂层中易于实现的方法是由两种折射率的涂层交替涂覆所构成的周期性多层膜系，它既可做成增透膜又可做成高反膜。然而，此方法要达到较好效果需要的膜层较多，对镀膜技术要求较高，例如氦氖激光器谐振腔的反射镜涂层通常达15至19层，反射率为99.6%（郁道银,谈恒英.工程光学.第二版.北京:机械工业出版社,2006.p333）。
[0006] 近年来，关于低折射率膜的报道很多，如“Nanostructured Multilayer Tailored-Refractive-Index Antireflection Coating for Glass with Broadband and Omnidirectional Characteristics，S.Chhajed et al.，Appl.Phys.Express,4,2011,052503”、“Light-Extraction Enhancement of GaInN Light-Emitting Diodes by Graded-Refractive-Index Indium Tin Oxide Anti-Reflection Contact，Jong Kyu Kim et al,，Adv.Mater.,2008,20,801–804”、“Realization of a Near-perfect Antireflection Coating for Silicon Solar Energy Utilization，Mei-Ling Kuo et al.，Opt.Lett.,2008，21(33)，2527-2529”等。然而此类报道中低折射率材料均为倾斜纳米棒，通过纳米棒倾斜角控制折射率大小，但倾斜纳米棒一方面朝向各异、难于制造；另一方面需要一层基底支撑，故其膜与膜之间存在着一层基底，膜层连续性差，影响着多层膜的透射效果。
发明内容
[0007] 针对现有技术中存在膜层少时透过率不高的问题，本发明的目的是提供一种金纳米棒光学薄膜。
[0008] 本发明的目的通过下述技术方案实现：
[0009] 一种金纳米棒光学薄膜，光化学薄膜中金纳米棒呈周期排列。
[0010] 所述光学薄膜的厚度为81.65～195nm。
[0011] 所述金纳米棒的半径为5～20nm，金纳米棒的间距为8.3～44.9nm。
[0012] 所述周期排列为线状周期排列或网状周期排列，其周期尺寸小于入射波长的十分之一。
[0013] 所述入射波长为400～953.7nm。
[0014] 本发明的金纳米棒为圆柱型，其周期尺寸d一般小于λ/10，λ为入射波长。
[0015] 金纳米棒的周期排列的示意图如图1-4所示，其中图1与图2中金纳米棒的周期排列为线状周期排列，图3与图4中金纳米棒的周期排列为网状周期排列。
[0016] 周期排列的金纳米棒的半径及排列周期不同时，其等效折射率也不同。为使其在入射波长为λ时实现全增透，当光波从折射率为n0的介质入射到折射率为nG的介质时，膜厚h应满2
足nh=λ/4，其中n=n0nG，n为膜折射率。膜厚应为金纳米棒排列周期尺寸d的整数倍，即h=md，m为正整数。m太小时周期尺寸d不满足等效介质条件d＜λ/10，m太大时d太小，制造困难，综合考虑等效条件及膜层制造复杂性，一般取m=3或m=4，从而确定周期尺寸d的大小。
足nh=λ/4，其中n=n0nG，n为膜折射率。膜厚应为金纳米棒排列周期尺寸d的整数倍，即h=md，m为正整数。m太小时周期尺寸d不满足等效介质条件d＜λ/10，m太大时d太小，制造困难，综合考虑等效条件及膜层制造复杂性，一般取m=3或m=4，从而确定周期尺寸d的大小。
[0017] 确定周期尺寸d的大小后，对金纳米棒半径r进行优化。金纳米棒半径不同时，其等效折射率也不同。故改变金纳米棒半径，膜层透射率随之变化；选取适当的采样间隔，可获取一组膜层透过率随金纳米棒变化的数据，利用最小二乘法得到拟合曲线，透过率峰值位置处的金纳米棒半径即为优化值。
[0018] 本发明具有以下优点和积极效果：
[0019] 1、通过改变金纳米棒半径及排列周期，可以更改其透过率，例如对于周期尺寸d=38.3nm，金纳米棒半径在5nm至14nm时，可使膜层等效折射率在波长为563.6nm时达到1.05～1.4，故其非常容易实现多种波段、以及大、中、小多种折射率光学材料的完美匹配，极大地丰富了增透膜的适用范围。
[0020] 2、随着制造技术的成熟与进步，其有望直接作为光学透镜材料使用，因此扩充了光学材料范围，对成像相关研究具有重要意义。
[0021] 3、金纳米棒线性周期排列时，对不同偏振的入射波具有不同的等效折射率，故可以制造其它器件如偏振器件、双折射器件等。
[0023] 图1是本发明中金纳米棒呈线性周期排列的示意图。
[0024] 图2是本发明中金纳米棒呈线性周期排列的主视图。
[0025] 图3是本发明中金纳米棒呈网状周期排列的示意图。
[0026] 图4是本发明中金纳米棒呈网状周期排列的俯视图。
[0027] 图5是实施例1中入射波长为563.6nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。
[0029] 图7是本发明中实施例1中入射波与反射波干涉区域电场振幅分布图，其中1为不镀膜玻璃，2为镀氟化镁膜玻璃，3为镀金纳米棒光学薄膜玻璃。
[0030] 图8是本发明中实施例1入射波长与薄膜材料透过率的关系图，其中（a）正入射时入射波长与其透过率的关系图，（b）入射角为20度时入射波长与其透过率的关系图，（c）入射角为30度时入射波长与其透过率的关系图。
[0031] 图9是本发明中实施例2中主波长为688.8nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。
[0032] 图10本发明中实施例2入射波长与薄膜材料透过率的关系图，其中a）正入射时入射波长与其透过率的关系图，b）入射角为20度时入射波长与其透过率的关系图，c）入射角为30度时入射波长与其透过率的关系图。
[0033] 图11是本发明中实施例3中入射波长为400nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。
[0034] 图12是本发明中实施例4中入射波长为953.7nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图。
具体实施方式
[0035] 本发明的目的是提供一种金纳米棒光学薄膜，在光学薄膜领域，其容易实现折射率匹配，从而达到镀膜层数较少的情况下具有较高透过率。
[0036] 实施例1
[0037] （1）镀金纳米棒光学薄膜的玻璃，其中金纳米棒呈线状周期排列，其排列周期尺寸d=38.3nm，光学薄膜厚度为h=115nm，入射波长为563.6nm，金纳米棒半径r、间距s及透过率见表1，入射波长为563.6nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线如图5所示，由表1和图5可知，金纳米棒半径r=10.4-10.7nm，金纳米棒光学薄膜的透过率最大。
[0038] （2）不镀膜的玻璃。
[0039] （3）镀氟化镁膜的玻璃。
[0040] 其中，玻璃折射率nG=1.5，空气介质折射率n0=1。
[0041] 表1入射波长为563.6nm时，金纳米棒半径r、间距s及透过率
[0042]半径r(nm) 5 6 7 7.5 8 8.5 9 9.5 9.6 9.7
间距s(nm) 28.3 26.3 24.3 23.3 22.3 21.3 20.3 19.3 19.1 18.9
透过率(%) 97.44 98.00 98.58 98.86 99.13 99.37 99.59 99.76 99.79 99.81半径r(nm) 10 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 11 12 13.5 15
间距s(nm) 18.3 17.7 17.5 17.3 17.1 16.9 16.3 14.3 11.3 8.3
透过率(%) 99.87 99.91 99.92 99.92 99.92 99.92 99.89 99.51 97.98 95.18[0043] 采用COMSOL软件对主波长（563.6nm）正入射时，对r=10.6nm的金纳米棒光学薄膜的玻璃（1）、不镀膜的玻璃（2）和镀氟化镁膜的玻璃（3）三种玻璃的电场分布进行了仿真，仿真区域取8um×8um，仿真结果如图6所示，由图6可知，镀金纳米棒光学薄膜的玻璃的入射界面上几乎没有反射波与入射波发生干涉，而不镀膜与镀氟化镁膜时均可见清晰干涉条纹。三种玻璃的光轴上干涉区域电场强度分布见图7，由图7可知，不镀膜、镀氟化镁膜、镀纳米棒膜时轴上干涉强度依次减小，特别是镀金纳米棒光学波膜时轴上几乎不发生干涉。
图6、图7进一步说明了金纳米棒膜层良好的增透减反作用。
间距s(nm) 28.3 26.3 24.3 23.3 22.3 21.3 20.3 19.3 19.1 18.9
透过率(%) 97.44 98.00 98.58 98.86 99.13 99.37 99.59 99.76 99.79 99.81半径r(nm) 10 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 11 12 13.5 15
间距s(nm) 18.3 17.7 17.5 17.3 17.1 16.9 16.3 14.3 11.3 8.3
透过率(%) 99.87 99.91 99.92 99.92 99.92 99.92 99.89 99.51 97.98 95.18[0043] 采用COMSOL软件对主波长（563.6nm）正入射时，对r=10.6nm的金纳米棒光学薄膜的玻璃（1）、不镀膜的玻璃（2）和镀氟化镁膜的玻璃（3）三种玻璃的电场分布进行了仿真，仿真区域取8um×8um，仿真结果如图6所示，由图6可知，镀金纳米棒光学薄膜的玻璃的入射界面上几乎没有反射波与入射波发生干涉，而不镀膜与镀氟化镁膜时均可见清晰干涉条纹。三种玻璃的光轴上干涉区域电场强度分布见图7，由图7可知，不镀膜、镀氟化镁膜、镀纳米棒膜时轴上干涉强度依次减小，特别是镀金纳米棒光学波膜时轴上几乎不发生干涉。
图6、图7进一步说明了金纳米棒膜层良好的增透减反作用。
[0044] 为了说明不同波长不同入射角情况下的金纳米棒光学薄膜的增透作用，利用COMSOL软件仿真了波长在400nm至953.7nm，入射角为20°和30°时，r=10.6nm的金纳米棒光学薄膜的玻璃（1）和镀氟化镁膜的玻璃（3）的透过率，仿真结果如图8所示。由图可知，本发明中镀金纳米棒光学薄膜的玻璃在波长为400nm至1000nm，入射角为0-30°时，透过率为98-99.93%，大于不镀膜时（低于96%）垂直的入射透过率，起到了良好的增透作用。
[0045] 金纳米棒呈网状周期排列（如图3-4所示）的光学薄膜，对偏振不敏感，即s波和p波均可实现增透。
[0046] 实施例2
[0047] （1）镀金纳米棒光学薄膜的玻璃，其中金纳米棒呈线状周期排列，其排列周期尺寸d=46.9nm，光学薄膜厚度为h=140.6nm，入射波长为688.8nm，金纳米棒半径r、间距s及透过率见表2，入射波长为688.8nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线如图9所示，由表2和图9可知，金纳米棒半径r=12.4-12.6nm，金纳米棒光学薄膜的透过率最大。
[0048] （2）镀氟化镁膜的玻璃。
[0049] 其中，玻璃折射率nG=1.5，空气介质折射率n0=1。
[0050] 表2入射波长为688.8nm时，金纳米棒半径r、间距s及透过率
[0051]半径r(nm) 7 8 9 10 11 11.8 12 12.2 12.3
间距s(nm) 32.9 30.9 28.9 26.9 24.9 23.3 22.9 22.5 22.3
透过率(%) 97.97 98.46 98.93 99.37 99.71 99.89 99.91 99.92 99.93
半径r(nm) 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 13 13.2 14 15
间距s(nm) 22.1 21.9 21.7 21.5 21.3 20.9 20.5 18.9 16.9
透过率(%) 99.94 99.94 99.94 99.93 99.93 99.92 99.87 99.64 99.01
间距s(nm) 32.9 30.9 28.9 26.9 24.9 23.3 22.9 22.5 22.3
透过率(%) 97.97 98.46 98.93 99.37 99.71 99.89 99.91 99.92 99.93
半径r(nm) 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 13 13.2 14 15
间距s(nm) 22.1 21.9 21.7 21.5 21.3 20.9 20.5 18.9 16.9
透过率(%) 99.94 99.94 99.94 99.93 99.93 99.92 99.87 99.64 99.01
[0052] 采用COMSOL软件对r=12.5nm的金纳米棒光学薄膜的玻璃（1）和镀氟化镁膜的玻璃（2）两种玻璃的电场分布进行了仿真，COMSOL仿真了波长在400nm至1000nm，入射角为0°、20°、30°情况下玻璃的透过率，仿真区域为8um×8um，仿真结果如图10所示。由图10可见，本发明中镀金纳米棒光学薄膜的玻璃在入射波长为400nm至1000nm，入射角为0-30°时，其透过率为97-99.94%，大于不镀膜时（低于96%）垂直入射的透过率，起到了良好的增透作用。
[0053] 实施例3
[0054] 镀金纳米棒光学薄膜的玻璃，其中金纳米棒呈线状周期排列，其排列周期尺寸d=27.2nm，光学薄膜厚度为h=81.65nm，入射波长为400nm，金纳米棒半径r、间距s及透过率见表3，入射波长为400nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图如图11所示，由表3和图11可知，金纳米棒半径r=7.2-7.5nm，金纳米棒光学薄膜的透过率最大。
[0055] 其中，玻璃折射率nG=1.5，空气介质折射率n0=1。
[0056] 表3入射波长为400nm时，金纳米棒半径r、间距s及透过率
[0057]半径r(nm) 5 6 6.5 6.7 6.8 6.9 7 7.1
间距s(nm) 17.2 15.2 14.2 13.8 13.6 13.4 13.2 13
透过率(%) 98.72 99.46 99.74 99.83 99.87 99.89 99.93 99.94
半径r(nm) 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 8 9
间距s(nm) 12.8 12.6 12.4 12.2 12 11.8 11.2 9.2
透过率(%) 99.95 99.95 99.95 99.95 99.92 99.90 99.78 98.71
间距s(nm) 17.2 15.2 14.2 13.8 13.6 13.4 13.2 13
透过率(%) 98.72 99.46 99.74 99.83 99.87 99.89 99.93 99.94
半径r(nm) 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 8 9
间距s(nm) 12.8 12.6 12.4 12.2 12 11.8 11.2 9.2
透过率(%) 99.95 99.95 99.95 99.95 99.92 99.90 99.78 98.71
[0058] 实施例4
[0059] 镀金纳米棒光学薄膜的玻璃，其中金纳米棒呈线状周期排列，其排列周期尺寸d=64.9nm，光学薄膜厚度为h=195nm，入射波长为953.7nm，金纳米棒半径r、间距s及透过率见表4，入射波长为953.7nm时，光学薄膜中金纳米棒半径与其透过率的关系曲线图如图12所示，由表4和图12可知，金纳米棒半径r=20nm，金纳米棒光学薄膜的透过率最大。
[0060] 其中，玻璃折射率nG=1.5，空气介质折射率n0=1。
[0061] 表4入射波长为953.7nm时，金纳米棒半径r、间距s及透过率
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