本发明涉及一种光学薄膜，尤其是涉及一种金属/介质超宽带吸收薄膜及其制备方法。
背景技术：
宽带吸收薄膜在光伏电池、光电检测、光学滤光片、隐形技术、热光源辐射等领域具有广泛的应用。其吸收带宽是影响其系统性能的关键因素。
目前能够实现宽带吸收薄膜的技术途径主要有三种：微结构薄膜、高吸收黑膜和金属/介质组合薄膜。其中，微结构薄膜虽然可以实现宽带的吸收，但其需要精准的刻蚀技术，制备工艺比较复杂，制备成本高，不利于大面积产业化生产；且对于大尺寸的光学元件，微结构薄膜难以实际制备。高吸收黑膜，其制备效果容易受到制备工艺参数的影响，且目前已知的高吸收黑膜的工作带宽主要集中在可见光波段，严重限制了吸收元件的应用领域。金属/介质组合薄膜，克服了上述两类薄膜的缺点，具有成熟的制备工艺、低廉的制备成本和超宽带吸收的潜力。
目前利用金属/介质组合薄膜设计的超宽带吸收薄膜多采用：金属基板|(介质/薄层金属)^n/单层介质减反膜|空气、石英基板|厚层金属衬底/(介质/薄层金属)^n/单层介质减反膜|空气的结构。例如，“fullyplanarizedperfectmetamaterialabsorberswithnophotonicnanostructures”文中提到的“ni基板|(sio2/薄层ni)^16/sio2|air”结构以及“super-widebandperfectsolarlightabsorbersusingtitaniumandsilicondioxidethin-filmcascadeopticalnanocavities”中提到的“si基板|厚层ti衬底/(sio2/薄层ti)^4/sio2|air”，两种结构均在400nm-2600nm光谱范围内平均吸收率大于90％。但这两种膜系结构存在缺陷：其一，没有解决金属的选材问题，使用ni或者ti作为吸收性金属，并不能达到这种结构的吸收阈值，导致吸收带宽较窄；其二，采用金属ni作为基板，限制了其作为吸收器的应用范围，采用ti作为薄膜的金属衬底，降低了薄膜与基板间的附着力和牢固度，限制了其成膜质量。
针对以上问题可知，解决金属/介质宽带吸收膜中的金属的选材问题、避免使用金属作为基板或薄膜衬底，实现更宽的吸收带宽、更稳定的薄膜结构和更广泛的应用范围，是金属/介质超宽带吸收薄膜的研制过程中急需解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服金属/介质组合薄膜现有的技术缺陷而提供的一种金属/介质超宽带吸收薄膜。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种金属/介质超宽带吸收薄膜，包括由下而上依次设置的基板、第一薄膜和第二薄膜，所述第一薄膜为由低折射率介质膜层l和高吸收金属薄层h交替设置构成的金属/介质膜堆，且第一薄膜与基板接触的一侧为低折射率介质膜层l，所述第二薄膜为一单层低折射率介质减反膜ar。
进一步地，所述基板包括石英片或硅片。
一种如所述的金属/介质超宽带吸收薄膜的制备方法，其特征在于，包括：
所述金属/介质膜堆层数的确定；
所述低折射率介质膜层l的材料及膜层厚度的选择；
所述高吸收金属薄层h的金属材料及膜层厚度的选择；
所述单层低折射率介质减反膜ar的材料及膜层厚度的选择。
进一步地，所述低折射率介质膜层l的材料为sio2。
以使一级布拉格反射峰的位置在波长400nm以外为目标获得所述低折射率介质膜层l的膜层厚度。
进一步地，所述高吸收金属薄层h的金属材料的选择具体为：
对未加第二薄膜的膜系结构，通过传输矩阵法和matlab迭代编程法，获得在一固定波长处，使所述膜系结构的吸收率达到最大的最佳金属色散；
将不同金属的金属色散与所述最佳金属色散进行比对，得到与所述最佳金属色散最匹配的金属。
进一步地，所述高吸收金属薄层h的膜层厚度的选择具体为：
对未加第二薄膜的膜系结构，通过传输矩阵法和matlab迭代编程法，获得基于所选金属材料的膜系结构的吸收率随金属厚度变化的吸收图谱，以具有最大吸收率的金属厚度作为膜层厚度。
进一步地，所述单层低折射率介质减反膜ar的材料为sio2。
进一步地，以所述金属/介质超宽带吸收薄膜吸收率最高且带宽最宽为优化目标，获得单层低折射率介质减反膜ar的膜层厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明设置有基底，省略了传统厚层贵金属衬底，一方面使用连续的薄层金属/介质膜堆，充分降低入射光的透射率，起到了和厚层贵金属衬底同样的作用；另一方面第一薄膜的低折射率材料膜层和基板接触，极大地增加薄膜附着力和牢固度，避免了传统金属/介质吸收薄膜中金属衬底或是金属基板的使用，增加了薄膜与基板间的附着力和牢固度，提高了成膜质量，拓宽了应用范围。
2、本发明薄膜制备过程中采用了金属材料选择新思路。由于本发明的膜系近乎规整，参数较少，因此可利用利用传输矩阵法、matlab迭代编程法得到不加介质减反膜时使此膜系吸收率最高、吸收带宽最宽的最佳金属色散n和k，用常用的金属材料和此最佳色散曲线相对比，得到最接近于此最佳金属色散n和k的金属。
3、本发明大幅度拓宽了薄膜吸收带宽。经实际制备和测试表征，此结构可以实现400nm-7000nm接近7μm的吸收带宽，在此带宽内，薄膜平均吸收率大于92％。是迄今为止，金属/介质宽带吸收薄膜中，吸收带宽最宽的结构。
附图说明
图1为金属/介质超宽带吸收薄膜结构的示意图；
图2为在jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm)膜系结构中，使其吸收率最大的最佳金属消光系数k与其他常见金属对比图；
图3为在jgs1|(lh)30|air膜系结构(l为sio2，厚度为100nm)膜系结构中，使其吸收率最大的最佳金属消光系数n与其他常见金属对比图；
图4为在jgs1|(lh)30|air膜系结构(l为sio2，厚度为100nm；h为cr)膜系结构中，不同厚度金属cr的吸收图谱；
图5为加第二薄膜和不加第二薄膜金属/介质宽带吸收薄膜的吸收图谱对比；
图6为最终确定设计的金属|介质超宽带吸收薄膜膜系结构图；
图7为制备出的金属|介质超宽带吸收薄膜样品光谱。
图中标号：1是基板，2是第一薄膜，3是第二薄膜，h是高吸收金属薄层，l是低折射率材料膜层，ar是单层介质减反膜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明提供一种金属/介质超宽带吸收薄膜，包括由下而上依次设置的基板1、第一薄膜2、第二薄膜3，第一薄膜2由低折射率介质膜层l和高吸收金属薄层h交替设置构成金属/介质膜堆。第一薄膜2与基板1接触的一侧为低折射率介质膜层l。第二薄膜3为一单层低折射率介质减反膜ar。即由基板1往上的偶数层为高吸收金属薄层h，奇数层为低折射率介质膜层l。顶层为低折射率介质减反膜层ar。
第一薄膜2为由多层薄膜叠加而成的金属/介质膜堆，充足的膜堆，起到了和传统金属/介质吸收薄膜中厚金属衬底或金属基板相同的作用。因此，此结构中基板无特殊要求，采用常规的石英基板或硅片基板即可。
上述金属/介质超宽带吸收薄膜的制备方法包括：所述金属/介质膜堆层数的确定；所述低折射率介质膜层l的材料及膜层厚度的选择；所述高吸收金属薄层h的金属材料及膜层厚度的选择；所述单层低折射率介质减反膜ar的材料及膜层厚度的选择。
本发明设计的金属/介质超宽带吸收薄膜可以实现更宽的吸收带宽、更稳定的薄膜结构和更广泛的应用范围。
实施例1
本实施例提供的金属/介质超宽带吸收薄膜中，第一薄膜结构为(lh)n1。由于薄膜近似吸收率a＝1-r-t，为了使膜系充分吸收，同时最大限度的抑制入射光线穿过膜系，使膜系透过率t＝0，n1需大于30，此实施例中取n1＝30。此时，整个金属/介质超宽带吸收薄膜的结构定为：jgs1|(lh)30|air。
为了使金属/介质超宽带吸收薄膜制备更加精准，低折射率介质膜层l可选择制备工艺比较成熟的sio2。同时在此种金属/介质规整膜系中，一级布拉格反射峰的位置，由介质的厚度d＝λ/2n所决定。本实施例中，为了将一级峰的位置控制在吸收器常用工作波长以外(400nm以后)，sio2厚度确定为100nm。此时，整个金属/介质超宽带吸收薄膜的结构定为：jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm)。
对于高吸收金属薄层来讲，金属材料的选择是一个技术性难点，金属厚度对吸收的影响又至关重要，如果金属厚度过厚，膜层反射率会增加，从而使吸收下降；如果金属厚度过薄，透过率会增加，30对的膜堆数不足以完全抑制膜系的透过率t降为0,同时金属厚度过薄会同样使吸收不充分，从而达不到高效吸收的目的。基于此，本实施例中提供了一种金属材料的选择思路，同时结合常规金属厚度优化方法，解决了上述问题。
对于具有任意色散的金属薄层构成的jgs1|(lh)30|air膜系结构(l为sio2，厚度为100nm)。通过传输矩阵法、matlab迭代编程法,可以计算得到此膜系在固定波长λ处，膜系吸收率随金属色散n和k的变化扫描图谱，确定该波长下，使此膜系吸收率达到最大的最佳金属色散n和k。扫描400nm-7000nm，获得此膜系吸收率达到最高的两条最佳色散曲线：最佳k曲线和最佳n曲线分别见图2和3。将常见不同金属的色散与之比较，得到金属cr的n和k都最接近于最佳n曲线和最佳k曲线。在满足金属厚度小于其趋肤深度时，使用金属cr作为高吸收金属薄层，可以使jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm)膜系结构吸收率最大、吸收带宽最宽。此时，整个金属/介质超宽带吸收薄膜的结构定为：jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm；h为cr)。
对于任意厚度金属cr构成的jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm；h为cr)膜系结构，通过传输矩阵法、matlab迭代编程法,可以计算出此膜系随cr金属厚度变化的吸收图谱。如图4所示，颜色深、浅分别对应吸收率高、低：随着cr金属厚度的增加，在400-7000nm波长范围内，薄膜平均吸收率先增加后减小，当cr金属厚度为13nm时，此膜系平均吸收率最高。因此我们选定金属cr的厚度为13nm。此时，整个金属/介质超宽带吸收薄膜的结构定为：jgs1|(lh)30|air(l为sio2，厚度为100nm；h为cr，厚度为13nm)。
为了保护金属/介质超宽带吸收薄膜，同时降低反射率，使膜系导纳和自由空间导纳相匹配，需要在外层加一层低折射率介质膜层ar。考虑制备的简单性，采用低折射率介质sio2膜层。本实施例中，经过优化得到，使金属/介质超宽带吸收薄膜吸收率最高、带宽最宽的最外层sio2厚度为130nm。如图5所示，加入第二薄膜3单层低折射率介质膜层ar后，膜系吸收率和吸收带宽有明显改善。此时，整个金属/介质超宽带吸收薄膜的结构定为：jgs1|(lh)30ar|air(l为sio2，厚度为100nm；h为cr，厚度为13nm；ar为sio2，厚度为130nm)。
到此，本实施例通过理论分析和优化设计，确定的金属/介质超宽带吸收薄膜的膜系结构为jgs1|(lh)n1ar|air，n1＝30。其中，低折射率介质膜层l为sio2，厚度为100nm；低折射率介质减反膜层ar为sio2,厚度为130nm；高吸收金属薄层h为cr，厚度为13nm。图6为其最终设计结构的膜层厚度分布示意图：横坐标代表膜层数，纵坐标代表对应膜层数的实际厚度。
为了探究其吸收特性，我们将镀制的样品用uv-vis-nir、perkinelmergxftirspectroscope分别对短波和长波进行样品的透射率和反射率进行测试。400-2500nm的光谱通过uv-vis-nir测试，2500-7000nm光谱通过perkinelmergxftirspectroscope测试。)通过a＝1-r-t，计算出样品可见光、中远红外吸收谱。如图7所示，在400nm-7000nm波长范围内，平均吸收率高于92％。这是迄今为止金属|介质宽带吸收膜中吸收带宽最宽的膜系。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。