在鍍銀薄膜上納米壓印形成的三維球形結構的光譜選擇性減反射

我們使用聚對苯二甲酸乙二醇酯(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構上的反射率和透射率。在PET上，錐形納米結構表面陣列的空間周期長度約為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、復制等方法制備了無限蛾眼形狀的模子。我們發(fā)現(xiàn)，在AR薄膜上，適當厚度的Ag層在可見光光譜范圍內具有較高的透過率(*高為72%)，而在紅外光譜中具有較高的反射率(至少為60%)。在亞波長結構(ASS)抗反射表面鍍上一層銀涂層的光學薄膜，其隔熱等性能在家庭和車輛的窗戶上具有明顯的應用價值。

隨著科技的進步，人類對娛樂的需求越來越高，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、太陽能電池板、照明和光學、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，使用高折射率層和低折射率層。**種，在增透結構技術中發(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，當光線穿過薄膜表面時，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。如果光學薄膜厚度(折射率乘以薄膜厚度)是入射光波長的四分之一的奇數(shù)倍，則反射波會對入射波產(chǎn)生破壞性干擾。*終，在給定的預期位置，反射近似于零。在寬頻帶中，要達到極低的反射，目前*好的解決方案是在特定波段內具有多層和復雜結構的減反射膜。雖然薄膜技術已經(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性質也存在影響熱失配、附著力和穩(wěn)定性的問題。因此，抗反射結構表面(ARS)被提出作為一種替代。該技術涉及將元件表面和用于減反射的亞波長結構分層，以形成防眩光亞波長結構(ASS)表面。

*近，研究人員不得不用3D納米結構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，靈感來源于自然的蛾眼納米結構具有寬帶性能好、閃光小、廣角入射光透過率提高等優(yōu)點。它被認為是一種成功的方法，可以提高顯示器的可見性和光電轉換效率，還可以有效地阻擋大部分輻射熱。此外,近年來，全球變暖、能源枯竭、氣候變化和其他與環(huán)境相關的問題導致了綠色技術的出現(xiàn)。因此，綠色能源技術一直是研究的溫床。有一種簡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帶通濾波器，在紫外線和紅外光譜區(qū)域對陽光的透過率較低，而在可見光譜范圍有足夠的透過率。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，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、機械強度、穩(wěn)定性和耐久性等優(yōu)點。使用納米印跡技術來創(chuàng)建有效的蛾眼AR聚合物薄膜已被報道。然而，在將該技術投入實踐之前，必須克服各種問題，包括特征的脆弱性，從大氣中吸附污染物，以及可能隨著時間的推移而退化等等。因此，為了解決上述問題，在蛾眼的結構上涂上了銀膜，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)生化學反應，具有較高的穩(wěn)定性、良好的力學和附著力，因此具有重要的應用價值。此外，銀在可見區(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。由于本研究未來可應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，在可見光波段需要低反射。傳統(tǒng)的保溫膜主要采用多層光學膜涂層或金屬膜涂層來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，容易使光線的透光度大大降低，影響室內采光;同時，由于窗面反射率高，光線被金屬表面反射后，會引起內部反射，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構，希望能提高光穿透能力，減少內側反射。許多研究已經(jīng)證明了各種基于蛾眼結構的金屬涂層。補充表SI顯示了基于不同金屬基蛾眼結構的參數(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構。

在整個研究過程中，我們研究了蛾眼AR表面涂有不同厚度的銀層的使用。我們預計在850nm到1800nm的光譜范圍內有高反射，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驗研究。我們將這些樣品與廣泛使用的商業(yè)樣品進行比較。這些商業(yè)產(chǎn)品在紅外光譜范圍和紫外光譜范圍內對日光的透過率都不低，在可見光譜范圍內的透過率也相對較小。本研究制備的隔熱膜性能明顯優(yōu)于商用產(chǎn)品。我們的研究結果表明，在可見光譜區(qū)域，具有銀層產(chǎn)生抗反射亞波長結構表面的元素具有良好的透過率和*小的眩光，而在紅外范圍，它具有高反射率。

為了提高轉換效率，必須利用不同折射率層的累積形成抗反射(AR)涂層來降低陽光的反射。這種結構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脂上。采用日本大阪Toyobo株式會社生產(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，從一邊移動到另一邊，去除多余的樹脂和控制UV樹脂層厚度。因此，涂層樹脂層的厚度為200μm。實驗使用波長范圍為250~420nm的紫外光。它的曝光強度是40mW/cm2在365nm波長，由光度計給出。然后我們將樣品固化12分鐘，并在室溫下固化樹脂。接下來，我們從Ni模具中去除帶有ASSs的柔性PET薄膜。利用先進的等離子體增強磁控濺射(PEMS)系統(tǒng)，我們在亞波長結構上沉積了一層銀。為了分析銀層的光學特性以及亞波長結構，PET襯底上銀層的亞波長結構具有18、25、50和75nm的厚度。在本研究中，使用JascoV-570型商用分光光度計測量透射率和反射率。對這些特性的測量落在零階范圍內。

*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技術通過納米研磨/分散技術利用納米顆粒轉換性能。

圖1.納米壓印法減反射原理圖。