可見高吸收紅外高反射薄膜制備及光學特性研究

日期：2025-09-19 09:44

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摘要：可見高吸收紅外高反射薄膜制備及光學特性研究

摘要

設計一種同時滿足可見光波段高吸收和遠紅外波段高反射的特殊結構是制備紅外低發射涂層的重要挑戰。利用濺射鍍膜法和化學合成法制備得到不同尺寸的金納米顆粒(AuNPs)，完成了AuNPs/SiO2/Al薄膜結構設計，并結合上等數值仿真軟件對其結構進行理論分析，使用可見分光光度計和傅里葉紅外光譜儀測試了其可見光和遠紅外波段反射譜，研究了等離激元模式在納米復合結構薄膜中的應用。結果表明，金屬納米顆粒尺寸和介質層厚度對該薄膜的反射性能都有十分重要的影響，通過制備納米復合材料，可見光波段吸收率達到64.07%，遠紅外波段反射率下降不超過2.29%。

引言

紅外高反射涂層可以在紅外波段實現高反射、低發射的效果，廣泛應用于建筑、船舶、航天等領域，具有降溫隔熱、節能環保、紅外隱身等優點，主要由低發射率顏料、黏結劑和著色顏料組成，其中*重要的成分是低發射率顏料。由于鋁等金屬成本低廉、密度低，在可見光到紅外波段反射率高，被用于制備全反射鏡，是低發**料的常用材料。但其在可見光波段具有高反射率、低吸收率的性能，導致涂層表面過于明亮，在實際應用中應保持涂層的低亮度。

在可見光波段實現高吸收的一種方法是在涂料中添加著色顏料，直接改變涂層顏色。比如，2013年，Yuan等制備了一種Al/Cr2O3復合顆粒，在片狀鋁粉表面包覆Cr2O3，表現出深綠色，與未包覆的片狀鋁粉相比，其可見光譜的平均反射率下降到50%，而紅外發射率提高不到10%。2017年，Liu等制備了MnO2、Co3O4包覆的鋁復合顏料，顏色較暗，紅外發射率*低在30%以下。然而，用上述方法制備的彩色鋁顏料仍具有較高的亮度或高紅外發射率。在金屬顆粒外包裹的有色顏料厚度過薄，不利于降低亮度，過厚則導致紅外發射率過高。因此，降低鋁顏料的亮度和保持高紅外反射率成為亟需解決的問題。

表面等離激元具有光的選擇性吸收、局域電場增強等特殊的光學性質，在納米傳感器、光開關器件、光邏輯運算等方面有廣泛的應用前景。局域表面等離激元共振(LSPR)主要表現在金屬納米顆粒中，共振特性受到金屬顆粒的材料、結構、形狀、尺寸等因素影響，是金屬納米尺度結構吸收體的基礎。在紅外或可見光范圍內的納米結構吸收體可以采用光刻技術刻畫金屬結構，但這使得它們本身很難用于大面積生產，從而降低了它們的適用性，也可以使用磁控濺射鍍膜以及化學合成金屬納米顆粒并使其隨機覆蓋表面的方法，增加實際操作的可行性。吸收體結構主要為金屬納米顆粒/介質/金屬薄膜，由于中間層和上層的薄膜為納米尺度，厚度非常小，對紅外發射特性的影響較小，因此是實現低亮度低紅外發射率的一種新的選擇。

銀立方體/介質/金屬結構可以在固定共振峰位置實現大面積的上乘吸收。2012年，Moreau等利用逐層沉積法在金膜表面加入厚度可控的聚合物隔離層，將化學合成的銀納米立方體隨機吸附到金膜上，從而創造一種新的超材料吸收體結構，當隔離層厚度為5~10 nm時，有效吸收率*高。但銀立方體顆粒制備過程較為復雜，共振吸收范圍較為狹窄，納米顆粒覆蓋均勻度可控性比較低。可以通過改變納米顆粒的大小和間隔層的厚度來定制反射光譜。

除此之外，金納米顆粒/介質/金屬結構和其他特殊納米結構也可以實現可見光波段的吸收，2013年，Shen等利用LSPR設計了亞微米尺度的周期性金蘑菇陣列，其機制為多種等離子體共振模式相耦合，表現為狹窄的半高寬和高折射率靈敏度。2016年，Jeon等設計了一種可電控的由聚苯胺包裹的金立方體納米結構，通過施加電勢，實現了金納米核局域表面等離子體共振峰的可逆調諧，從而產生電致變色現象。金的化學性質比銀更穩定，金納米顆粒的制備工藝也更為成熟簡便。

利用表面等離激元模式實現薄膜的可見高吸收紅外高反射機制的研究先例較少，將表面等離激元應用于降低亮度的同時保持紅外高反射特性的薄膜設計具有重要意義。本文利用濺射鍍膜法和化學合成法制備得到不同尺寸的金納米顆粒(AuNPs)，完成了基于等離激元共振腔的AuNPs/SiO2/Al薄膜結構設計，結合上等數值仿真軟件對其結構進行理論分析，使用紫外可見分光光度計和傅里葉紅外光譜儀測試其可見光和遠紅外波段反射譜，較系統地研究了等離激元模式在納米復合結構薄膜中的應用前景。

結論

(1)采用等離激元共振腔機制可以同時實現低亮度、高紅外反射性能，薄膜具備較好的均勻度，制備方法簡便易行，實驗可重復性較高，成本較低，在金屬膜基礎上增加的厚度為納米量級，不會對其本身特性造成很大影響，具有研究價值。

(2)金屬材料、納米顆粒形狀尺寸、介質層厚度、結構周期等參數均會影響AuNPs/SiO2/Al薄膜的可見光波段和遠紅外波段反射性能，通過進一步調節影響參數，可以獲得更多滿足不同性能要求的涂層。

(3)所設計薄膜在遠紅外波段反射率*低達到2.29%，比在金屬顆粒中直接添加著色顏料的方法具有顯著優勢。

(4)所設計薄膜在可見光波段吸收率*高達到64.07%，距離上乘吸收的目標還有一定空間，這可能是受到薄膜顆粒均勻及顆粒間距的影響。不同尺寸納米顆粒的共振峰位置不同，通過將不同尺寸納米顆粒同時覆蓋在介質層表面，有助于實現可見光波段的寬頻吸收。

1 實驗材料和方法

1.1 材料

1.2 薄膜制備裝置

1.3 分析測試儀器

1.4 AuNPs/SiO2/Al薄膜的制備

2 實驗結果與討論

2.1 AuNPs/SiO2/Al薄膜的制備與表征