一种具有宽频带、全方位减反射性质的多孔半球形阵列膜及其制备方法与流程

本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种具有宽频带、全方位减反射性质的多孔半球形阵列膜及其制备方法。

背景方法

在基底上的减反射膜层吸引了人们众多的注意力，因为它在照相机镜头^[1]、太阳能电池^[2]、LEDs^[3]、光检测器^[4]、光传感和图像^[5,6]等应用中发挥了巨大的作用。大量的硅^[7]、金属氧化物^[8]、聚合物^[9]和碳^[10]等材料制备的微纳锥和柱结构具有很好的减反射性能。最近，人们发现金属纳微结构与入射光相互作用产生的表面等离子体共振^[11]具有很好的减反射性质，称之为等离子减反射。随后，一些新型的等离子体减反射膜层被制备出来并且对其宽频带、全方位减反射性能进行了研究^[12]。

但是对这种等离子体减反射膜层在弯曲表面上的制备还没有实现。为满足更多的潜在的应用，还需要对等离子体减反射性质有更深层次的理解和进一步的探索。其中一个特别的挑战就是在弯曲表面上制备宽频带、全方位等离子体减反射膜层。这种等离子体膜可以在光电器件和显示器件中发挥特殊的作用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有宽频带、全方位减反射性质的多孔半球形阵列膜及其制备方法。

本发明利用掩模刻蚀方法、物理气相沉积方法、胶体自组装方法等，整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。通过控制刻蚀的时间和条件，可以制备不同孔径大小和深度的多孔半球形阵列，从而实现其减反射性质。

本发明以实现多孔半球形阵列膜为例，实现具有宽频带、全方位减反射性质的多孔半球形阵列膜的制备，具体步骤如下：

1)取亲水处理过的基底(平整基底：玻璃、石英片、硅片；弯曲基底：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)等)，以1000～3000rpm的转速将10～100mg/mL的聚苯乙烯(PS)的甲苯溶液旋涂到该基底上，然后将该基底放在室温环境中自然干燥，从而在基底上得到厚度为200～2000nm的聚苯乙烯/甲苯薄膜；

2)在1～5mL、浓度为1～20wt％、直径为0.2～0.8μm的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在9000～14000rpm转速下离心3～5分钟，在离心后得到的固态物中再加入1～3mL去离子水并再次进行离心，重复加入去离子水和离心过程4～7次；在最后离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，在9000～14000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水混合液和离心过程4～20次，在最后离心得到的固态物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，从而得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；用一次性注射器吸取0.1～0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球在空气-去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使疏水聚苯乙烯微球彼此紧密排列，用亲水处理过的基底(平整基底：玻璃、石英片、硅片；弯曲基底：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)等)将单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放在倾斜面上自然干燥，从而在基底上得到二维有序的直径为0.2～0.8μm单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球阵列；

在1～5mL、浓度为1～20wt％、直径为2～5μm的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～8800rpm转速下离心3～5分钟，在离心后得到的固态物中再加入1～3mL去离子水并再次进行离心，重复加入去离子水和离心过程4～7次；在最后离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，在4000～8800rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水混合液和离心过程4～20次，在最后离心得到的固态物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，从而得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；用一次性注射器吸取0.1～0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球在空气-去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使疏水聚苯乙烯微球彼此紧密排列，用步骤1)制备的聚苯乙烯/甲苯薄膜基底将单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放在倾斜面上自然干燥，从而在基底上得到二维有序的直径为2～5μm单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球阵列；

3)将步骤2)制得的二维有序的直径为0.2～0.8μm单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球阵列基底置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr、刻蚀温度为10～20℃、氧气流速为10～50sccm、刻蚀功率为30～100W的条件下，刻蚀100～300秒；在这个过程中，聚苯乙烯微球被刻蚀逐渐变小；然后将刻蚀过的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0～50°，在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下热蒸发沉积金属金，沉积速度为沉积金膜的厚度为50～100nm；将热蒸发沉积完金膜的基底放入甲苯中超声3～10min，超声功率为40～100W，除去聚苯乙烯微球得到周期为0.2～0.8μm、孔径为100～200nm的金纳米孔膜阵列基底；

4)将步骤2)制得的二维有序的直径为2～5μm单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球阵列基底置于80～110℃烘箱中0.1～1小时，然后取出待用；

5)将步骤3)制得的金纳米孔膜阵列基底倾斜后慢慢地浸入到用水稀释了10～20倍的氢氟酸的水溶液中(氢氟酸为商业化分析纯产品，质量分数为40％)，使金纳米孔膜阵列脱离基底而悬浮在水/空气界面；然后用步骤4)得到的基底轻轻捞起悬浮的金纳米孔膜阵列，在室温环境中自然风干；

6)将步骤5)制得的基底置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr、刻蚀温度为10～20℃、氧气流速为10～50sccm、刻蚀功率为30～100W的条件下，刻蚀100～300秒；在这个过程中，以金纳米孔膜阵列为掩膜，将下面的直径为2～5μm单层紧密排列的疏水聚苯乙烯微球阵列刻蚀成多孔形貌，再用金刻蚀剂除去金纳米孔膜阵列；然后将刻蚀过的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0～50°，在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积银膜的厚度为50～100nm，得到本发明所述的一种具有宽频带、全方位减反射性质的多孔半球形阵列膜；

另取步骤4得到的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0～50°，在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积厚度为50～100nm，得到半球壳阵列膜，作为参比样品；

将步骤6)制备的样品放置在光纤光谱仪的样品台上，测试其反射性质；改变入射光的方向，测试不同方向入射光的反射性质。

将步骤6)制备的样品放置在与屏幕垂直，水平距离屏幕10～30cm的位置。然后用一束波长为635nm的激光照射，证明其在实际应用中的减反射性质。

步骤1)所述的平整基底为玻璃片、石英片、硅片；弯曲基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)等。基底的亲水处理是将基底放入质量分数98％的浓硫酸和质量分数30％的过氧化氢的混合溶液中水浴加热至70～90℃，保持3～8小时，然后用去离子水反复洗涤，氮气吹干；浓硫酸溶液和过氧化氢溶液的体积比为7：3。

本发明各个步骤操作简单，可控性强，在制备的多孔半球形阵列上有多孔层次结构，使样品表面随着入射光角度增加反射率减小，从而在弯曲的半球形表面上得到宽频带、全方位减反射等离子体薄膜。制备得到的层次等离子体结构，可以应用到光电器件、显示器件等实际应用中。

附图说明

图1为制备多孔半球形阵列的流程图；图中标示了各种利用的材料和主要操作步骤；其中，基底1、聚苯乙烯/甲苯薄膜2、330nm聚苯乙烯微球3、3μm聚苯乙烯微球4、金纳米孔膜5、多孔半球形阵列6、银膜7；

图2为多孔半球形阵列扫描电子显微镜(SEM)照片(A顶视图、B侧视图和45°倾斜图(图B中的插图)、C(A局部放大1倍图，标尺为1μm))；D多孔半球形结构单元的结构参数示意(聚苯乙烯微球4、银膜7，D代表多孔半球形阵列膜的周期(即大球尺寸2～5μm)、P代表金纳米孔膜掩板的周期(即小球尺寸0.2～0.8nm)、H代表刻蚀孔的深度(100～200nm)、d代表多空半球形阵列膜的孔直径(100～200nm))；

图3用光纤光谱仪测得的光谱图。(A黑线表示半球壳阵列膜的反射光谱，红线代表多孔半球形阵列膜的反射光谱，说明多孔半球形阵列膜的减反性能在波长范围为400～1000nm之间的宽频带都很好、B不同角度的入射光时，多孔半球形阵列膜的反射光谱，说明多孔半球形阵列膜具有全方位的减反性能)；

图4为多孔半球形阵列膜的减反射性质示例图，对应是实施例11。(A激光(波长为635nm)照射到常规银镜上，可以看到屏幕(屏幕与银镜的位置关系为垂直，水平距离10～30cm)上反射光斑很强、B激光照射到半球壳阵列膜上可以看到屏幕上反射光斑很弱，说明多孔半球形阵列膜的减反性能、C激光一半照射在银镜上，另一半照射在多孔半球形阵列膜上，可以看到照射银镜部分的屏幕上反射光斑很强，而照射多孔半球形阵列膜部分的屏幕上反射光斑几乎看不到，通过对比说明多孔半球形阵列膜的减反性能、D激光完全照射在多孔半球形阵列膜上，可以看到屏幕上反射光斑几乎看不到，说明多孔半球形阵列膜的减反性能非常好)。

具体实施方式

实施例1：亲水玻璃片的制备

所用玻璃片用玻璃刀裁至2.5cm长，3.5cm宽大小，放入浓硫酸(质量分数98％)与过氧化氢(质量分数30％)的混合溶液(体积比为7：3)中水浴加热至80℃，保持5小时，即得到亲水玻璃片；将混合溶液倒入废液瓶中，得到的玻璃片用去离子水反复洗涤4次，并用氮气吹干。

实施例2：聚苯乙烯PS/甲苯薄膜的制备

将聚苯乙烯微球溶于甲苯中，配制成浓度为10mg/mL的溶液。利用台式匀胶机以3000rpm的转速旋涂30秒，旋涂到亲水玻璃片上，然后将其放置在室温环境中自然风干，得到200nm厚的聚苯乙烯PS/甲苯薄膜。

实施例3：疏水聚苯乙烯微球的制备

在常温下，在1mL、5wt％、直径为330nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去离子水，用14000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，在遗留下的固态物中再加入3mL去离子水并再次进行离心，此后重复此过程7次。在最后一次吸取上层清液之后，在固态物中加入1mL的乙醇和1mL去离子水的混合液，用14000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，然后在遗留的固态物中再加入相同的乙醇和去离子水的混合液并用相同的方法离心，此后重复此离心过程16次，在最后一次吸取上层清液后，在固态物中最后加入1mL乙醇和1mL去离子水，得到疏水的10wt％的直径为330nm聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水的分散液；

在常温下，在1mL、5wt％、直径为3μm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去离子水，分别用8000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，在遗留下的固态物中再加入3mL去离子水并再次进行离心，此后重复此过程7次。在最后一次吸取上层清液之后，在固态物中加入1mL的乙醇和1mL去离子水，用8000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，然后在遗留的固态物中再加入相同的乙醇和去离子水的混合液并用相同的方法离心，此后重复此离心过程16次，在最后一次吸取上层清液后，在固态物中最后加入1mL乙醇和1mL去离子水，得到疏水的10wt％的直径为3μm聚苯乙烯微球乙醇和去离子水的分散液。

实施例4：六方紧密堆积的单层聚苯乙烯胶体晶体的制备

用一次性注射器吸取0.2mL实施例3制备的直径为330nm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇水分散液，缓慢滴到培养皿的空气-去离子水的界面上，静置片刻，沿着培养皿一侧加入50μL浓度为10wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液，聚苯乙烯微球会随之形成六方紧密堆积的单层。以亲水玻璃片为基底，伸入到水面以下，从紧密的单层聚苯乙烯微球下方缓慢向上提起，置于斜面自然干燥，从而在玻璃基底上得到直径为330nm单层紧密堆积的聚苯乙烯胶体晶体；

用一次性注射器吸取0.2mL实施例3制备的直径为3μm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇水分散液，缓慢滴到培养皿的空气-去离子水的界面上，静置片刻，沿着培养皿一侧加入50μL浓度为10wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液，聚苯乙烯微球会随之形成六方紧密堆积的单层。以实施例2制备的旋涂有PS/甲苯的玻璃片为基底，伸入到水面以下，从紧密的单层聚苯乙烯微球下方缓慢向上提起，置于斜面自然干燥，从而在PS/甲苯玻璃基底上得到3μm单层紧密堆积的聚苯乙烯胶体晶体。

实施例5：金纳米孔膜阵列的制备

将上述制得的直径为330nm的二维有序单层聚苯乙烯微球阵列的玻璃基底置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为10mTorr，刻蚀温度为20℃，氧气流速为50sccm，刻蚀功率为100W的条件下，刻蚀180秒；在这个过程中，微球被刻蚀逐渐变小；然后将刻蚀过的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0°，在5×10^-4Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属金，沉积速度为沉积厚度为100nm；将蒸镀完的基底放入甲苯中超声3min，功率为40w，除去微球得到周期为330nm，孔径为200nm的金纳米孔膜阵列基底；

实施例6：增加胶体晶体与基底的粘附性的方法

将实施例4制得的直径为3μm的二维有序单层聚苯乙烯微球阵列的PS/甲苯玻璃基底置于110℃烘箱中20min，然后取出待用；

实施例7：金纳米孔膜的转移

将实施例5制得的金纳米孔膜阵列基底倾斜慢慢地浸入到用水稀释了10倍的氢氟酸水溶液(稀释前溶液的质量分数40％)中10s，使金纳米孔膜阵列脱离基底而悬浮在水/空气界面。用实施例6得到的基底轻轻捞起悬浮的金纳米孔膜阵列，在室温环境中自然风干。

实施例8：多孔半球形阵列的制备

将实施例7制备的样品置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为10mTorr，刻蚀温度为20℃，氧气流速为50sccm，刻蚀功率为100W的条件下，刻蚀240秒；在这个过程中，金纳米孔膜阵列作为掩膜，刻蚀下面的3μm微球为多孔形貌，用金刻蚀剂除去金纳米孔膜阵列，得到多孔半球形阵列(多孔半球形阵列结构单元的结构参数为(如图2D)：D代表多孔半球形阵列膜的周期(即大球尺寸3μm)、P代表金纳米孔膜掩板的周期(即小球尺寸330nm)、H代表刻蚀孔的深度(150nm)、d代表多空半球形阵列膜的孔直径(200nm))。

实施例9：金属银的蒸镀方法

将实施例8的样品放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0°，在5×10^-4的真空度下进行热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积厚度为50nm，得到多孔半球形阵列膜。

实施例10：检测多孔半球形阵列膜宽频带、全方位减发射性质的方法

将实施例9的样品放置在光纤光谱仪的样品台上，测试其反射性质；在波长为400～1000nm范围，当入射角为0°时，多孔半球形阵列膜的反射率在0.5％左右，证明了其宽频带减反射性质，对应图3A。改变入射光的方向(入射角分别为0°、15°、25°、35°、45°)，测试不同入射光方向时的反射性质。发现随着入射光角度增加，多孔半球形阵列膜的反射率也减小，而且最小值达到0.05％。证明了其全方位减反射性质，对应图3B。

实施例11：证明多孔半球形阵列膜减反射性质在实际生活中应用的方法

制备的样品放置在与屏幕垂直，水平距离屏幕20cm的位置。然后用一束波长为635nm的激光照射样品，证明其在实际应用中的减反射性质，对应图4。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的方法方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同改变与修饰，均落入本发明的保护范围内。

[1]J.-J.Kim,Y.Lee,H.G.Kim,K.-J.Choi,H.-S.Kweon,S.Park and K.-H.Jeong,Proc Natl.Acad.Sci.USA,2012,109,18674.

[2]J.Zhu,C.-M.Hsu,Z.Yu,S.Fan and Y.Cui,Nano Lett.,2010,10,1979.

[3]J.K.Kim,S.Chhajed,M.F.Schubert,E.F.Schubert,A.J.Fischer,M.H.Crawford,J.Cho,H.Kim and C.Sone,Adv.Mater.,2008,20,801.

[4]D.-S.Tsai,C.-A.Lin,W.-C.Lien,H.-C.Chang,Y.-L.Wang and J.-H.He,ACS Nano,2011,5,7748.

[5]Y.Wang,Z.Zeng,J.Li,L.Chi,X.Guo and N.Lu,J.Am.Soc.Mass Spectrom.,2013,24,66.

[6]Y.-J.Oh,J.-J.Kim and K.-H.Jeong,Small,2014,10,2558.

[7]X.Zhang,J.Zhang,Z.Ren,X.Li,X.Zhang,D.Zhu,T.Wang,T.Tian and B.Yang,Langmuir,2009,25,7375.

[8]Y.J.Lee,D.S.Ruby,D.W.Peters,B.B.McKenzie and J.W.P.Hsu,Nano Lett.,2008,8,1501.

[9]J.Li,J.Zhu and X.Gao,Small,2014,10,2578.

[10]K.Mizuno,J.Ishii,H.Kishida,Y.Hayamizu,S.Yasuda,D.N.Futaba,M.Yumura and K.Hata,Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A.,2009,106,6044.

[11]B.Ai,Y.Yu,H.G.Zhang and B.Yang,Adv.Colloid Interface Sci.,2014,206,5.

[12]M.Toma,G.Loget and R.M.Corn,Nano Lett.,2013,13,6164.