СВЕТОПОГЛОЩАЮЩЕЕ ПОКРЫТИЕ Российский патент 2009 года по МПК G02B5/22 B82B1/00 

Изобретение относится к оптическим покрытиям, характеризующимся высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения УФ, видимого или ближнего ИК-диапазона и низким коэффициентом отражения в области поглощения, а также высокой спектральной селективностью, и может быть использовано в лазерно-оптических системах для мониторинга и диагностики, в приборостроении и в электронной технике, при изготовлении приемников излучения, преобразователей солнечной энергии, устройств оптической обработки информации и т.д.

Известно устройство, поглощающее излучение видимого диапазона, представляющее собой композит, состоящий из слоя диэлектрического материала (например, SiO), в котором содержатся наночастицы металла (например, Ti), поглощающие излучение видимого диапазона (И.З.Индутный, П.Е. Шепелявый, Е.В.Михайловская, Ч.В.Парк, Дж.Б.Ли, Я.Р.До. Градиентные светопоглощающие покрытия SiO_x-Me для дисплейных экранов. Журнал технической физики, 2002, т.72, вып.6, с.67-72). Покрытие получают термическим испарением на подложку в вакууме механической смеси SiO+Ti. Известное устройство характеризуется высоким уровнем поглощения видимого излучения, однако его недостатком является спектральная неселективность поглощения, а также наличие в видимом диапазоне значительного зеркального отражения на границе покрытие-воздух (порядка 4-10%).

Ближайшим техническим решением (прототипом) является многослойное металл-диэлектрическое покрытие, содержащее, по крайней мере, один дисперсный металлический слой (или несколько слоев), выполненных из наночастиц (патент США №US 6335142 В1 от 1.01.2002 «Light absorbing coatings with high absorption capacity»). Для усиления поглощения в состав данного покрытия вводят также толстый сплошной слой металла или используют металлическую подложку. Входящие в состав данного покрытия диэлектрические слои, разделяющие дисперсный и сплошной слои металла, а также слой диэлектрика, граничащий с воздухом, предназначены для уменьшения отражения от многослойной системы. Ослабление излучения в прототипе происходит в металлических слоях (дисперсном и сплошном), причем, величина коэффициента поглощения дисперсного металлического слоя для всей спектральной области ослабления излучения меньше величины коэффициента поглощения массивного металла. Под массивным металлом подразумеваются сплошные (недисперсные) слои металла толщиной более 1 мкм. В известном покрытии достигается достаточно низкое остаточное отражение (порядка 1-2%). Недостатком прототипа является его спектральная неселективность, поскольку для толстого слоя металла ослабление излучения происходит в широком диапазоне длин волн, включая видимую и ближнюю ИК-области спектра.

Задачей изобретения является повышение спектральной селективности светопоглощающего покрытия при сохранении высоких значений коэффициента поглощения и низкой величине остаточного отражения.

Задача решается за счет того, что в предлагаемом покрытии, включающем дисперсные металлические слои и диэлектрические слои, дисперсные слои из металлических частиц со средним размером d_cp, выполненные в виде плотноупакованных монослоев, и диэлектрические слои расположены поочередно друг с другом, диапазон изменения d_cp металлических частиц составляет 2-50 нм, диэлектрические слои выполнены с оптической толщиной λ₀/4, где λ₀ - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения монослоя металлических частиц, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла.

В предлагаемом устройстве поочередное расположение дисперсных слоев из металлических частиц и диэлектрических слоев, оптические толщины которых являются четвертьволновыми относительно длины волны λ₀, соответствующей максимуму полосы поверхностного плазмонного поглощения дисперсных металлических слоев, обеспечивает деструктивную многолучевую интерференцию в многослойном селективно-поглощающем покрытии, за счет чего вблизи этой длины волны одновременно достигаются увеличение поглощения и минимизация отражения падающего электромагнитного излучения.

Значение резонансной длины волны λ₀, а также значения коэффициентов пропускания и отражения дисперсных металлических слоев на этой длине волны зависят от материала металлических наночастиц, их среднего размера d_cp и от значений параметра перекрытия η, характеризующего долю площади монослоя, занятую металлическими наночастицами. Изменение среднего размера частиц в диапазоне 2-50 нм, а их параметра перекрытия в пределах 0.2-0.7 позволяет наиболее эффективно осуществлять деструктивную многолучевую интерференцию в многослойной системе. Выполнение дисперсных металлических слоев с малым отклонением размера частиц от среднего размера d_cp способствует сужению полосы поверхностного плазмонного поглощения. Одинаковый средний размер металлических частиц d_cp во всех дисперсных металлических слоях и одинаковые толщины всех диэлектрических слоев обеспечивают высокую спектральную селективность многослойного покрытия.

В качестве металлических материалов светопоглощающего покрытия могут быть использованы такие металлы, как Ag, Cu, Au, Al, для которых полосы плазмонного поверхностного резонанса дисперсных слоев расположены в оптическом спектральном диапазоне. Величина коэффициента поглощения дисперсных металлических слоев на длине волны λ₀ и в прилегающей к λ₀ области максимального ослабления оптического излучения превышает коэффициент поглощения соответствующего массивного металла. В качестве диэлектрических материалов могут быть использованы материалы, прозрачные в области проявления поверхностных плазмонных резонансов дисперсных металлических слоев - фториды, окислы, галогениды щелочных металлов.

Схема предлагаемого светопоглощающего покрытия представлена на фиг.1. Светопоглощающее покрытие включает в себя дисперсные металлические слои 1, сплошные диэлектрические слои с оптической толщиной λ₀/4 2, диэлектрическую подложку 3. На фиг.2 представлены спектральные зависимости коэффициентов пропускания, отражения и поглощения светопоглощающего покрытия, состоящего из семи плотноупакованных слоев наночастиц Ag, разделенных слоями KCl. Покрытие получено методом последовательного термического осаждения Ag и KCl на стеклянную подложку. Средний размер наночастиц Ag в монослое составляет 4 нм, параметр перекрытия η~0.4. Величина показателя преломления для KCl в видимом диапазоне составляет ~ 1.5. Геометрическая толщина каждого из слоев KCl равна 73 нм. Данные слои являются четвертьволновыми для λ₀=440 нм, на которой формируется максимум полосы поверхностного плазмонного поглощения для монослоев наночастиц серебра с указанными параметрами. Из фиг.2 видно, что в окрестности длины волны λ₀ достигается максимум поглощения (минимум пропускания) данного устройства. Величина отражающей способности покрытия в данной области спектра не превышает 1.5%. Полуширина полосы поглощения составляет 180 нм. Спектральные области, прилегающие к полосе поглощения как с длинноволновой, так и с коротковолновой сторон, характеризуются высоким уровнем пропускания излучения (коэффициент пропускания >60%). Таким образом, фиг.2 демонстрирует высокую поглощательную способность (95.5% на резонансной длине волны λ₀) и одновременно высокую спектральную селективность предлагаемого покрытия - полоса поглощения сужена более чем в 2 раза, по сравнению с прототипом.

Изменяя конструктивные параметры покрытия, можно управлять спектральным положением λ₀ и формировать полосу поглощения в разных областях УФ, видимого и ближнего ИК-диапазонов.

Оптическое покрытие может быть использовано при изготовлении приемников излучения, преобразователей солнечной энергии, устройств оптической обработки информации и т.д. Покрытие включает дисперсные металлические слои и диэлектрические слои. В качестве дисперсных слоев используют слои из металлических частиц со средним размером d_cp, выполненные в виде плотноупакованных монослоев. Дисперсные и диэлектрические слои расположены поочередно друг с другом. Диапазон изменения d_cp металлических частиц составляет 2-50 нм. Диэлектрические слои выполнены с оптической толщиной λ₀/4, где λ₀ - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения монослоя металлических частиц, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. Технический результат - повышение спектральной селективности светопоглощающего покрытия при сохранении высоких значений коэффициента поглощения и низкой величине остаточного отражения. 2 ил.

Светопоглощающее покрытие, включающее дисперсные металлические слои и диэлектрические слои, отличающееся тем, что дисперсные слои из металлических частиц со средним размером d_cp, выполненные в виде плотноупакованных монослоев, и диэлектрические слои расположены поочередно друг с другом, диапазон изменения d_cp металлических частиц составляет 2-50 нм, диэлектрические слои выполнены с оптической толщиной λ₀/4, где λ₀ - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения монослоя металлических частиц, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла.