在镀银薄膜上纳米压印形成的三维球形结构的光谱选择性减反射

在镀银薄膜上纳米压印形成的三维球形结构的光谱选择性减反射

我们使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)模具，使用高分辨率和低成本的UV纳米压印光刻技术制造蛾眼抗反射(AR)涂层。分析了几种不同厚度的银膜放置在蛾眼结构上的反射率和透射率。在PET上，锥形纳米结构表面阵列的空间周期长度约为250nm，直径约为200nm，高度约为160nm。之后，在PET衬底表面沉积了一层18nm的银(Ag)层。采用镍模电镀、干涉光刻、复制等方法制备了无限蛾眼形状的模子。我们发现，在AR薄膜上，适当厚度的Ag层在可见光光谱范围内具有较高的透过率(*高为72%)，而在红外光谱中具有较高的反射率(至少为60%)。在亚波长结构(ASS)抗反射表面镀上一层银涂层的光学薄膜，其隔热等性能在家庭和车辆的窗户上具有明显的应用价值。

随着科技的进步，人类对娱乐的需求越来越高，因此，光的特性显然成为重要的课题。为了避免不必要的反射，数字屏幕、太阳能电池板、照明和光学、车辆隔热、店面、建筑玻璃等方面的眩光和鬼影非常重要。抗反射(AR)涂层是目前用于消除外部反射的一种方法。由于抗反射涂料在建筑玻璃、太阳能光伏器件、激光系统、发光二极管(LED)、显示屏等方面发挥着至关重要的作用，因此被广泛研究。目前，降低反射率的方法主要有两种。**种方法类似于薄膜技术，使用高折射率层和低折射率层。**种，在增透结构技术中发现的，是一种不均匀的薄膜，其折射率在逐渐变化。在涂层多层薄膜中，当光线穿过薄膜表面时，高折射率层和低折射率层的多层修饰将入射光束分离为反射光束和透射光束。如果光学薄膜厚度(折射率乘以薄膜厚度)是入射光波长的四分之一的奇数倍，则反射波会对入射波产生破坏性干扰。*终，在给定的预期位置，反射近似于零。在宽频带中，要达到极低的反射，目前*好的解决方案是在特定波段内具有多层和复杂结构的减反射膜。虽然薄膜技术已经成熟，但涂层材料仍然存在局限性，而且薄膜堆叠的物理和化学性质也存在影响热失配、附着力和稳定性的问题。因此，抗反射结构表面(ARS)被提出作为一种替代。该技术涉及将元件表面和用于减反射的亚波长结构分层，以形成防眩光亚波长结构(ASS)表面。

*近，研究人员不得不用3D纳米结构AR膜制作高效的AR材料以获得更好的抗反射效果。其中，与传统的多层增透涂层相比，灵感来源于自然的蛾眼纳米结构具有宽带性能好、闪光小、广角入射光透过率提高等优点。它被认为是一种成功的方法，可以提高显示器的可见性和光电转换效率，还可以有效地阻挡大部分辐射热。此外,近年来，全球变暖、能源枯竭、气候变化和其他与环境相关的问题导致了绿色技术的出现。因此，绿色能源技术一直是研究的温床。有一种简单的方法可以减少能源的使用，将建筑物或汽车的窗户作为一个带通滤波器，在紫外线和红外光谱区域对阳光的透过率较低，而在可见光谱范围有足够的透过率。很明显，具有上述功能的薄膜，通常被称为隔热膜，并使用飞蛾眼表面制造，会将玻璃粘在一起。目前成功合成蛾眼AR表面的方法有电子束光刻(electron beam lithography)、干涉光刻(interference lithography)胶体光刻(colloidal lithography)等。如上所述，连续纳米压印可能是工业规模生产蛾眼AR表面的*理想技术，用于汽车隔热板等产品。不仅要减少反射，还要具有透明度、机械强度、稳定性和耐久性等优点。使用纳米印迹技术来创建有效的蛾眼AR聚合物薄膜已被报道。然而，在将该技术投入实践之前，必须克服各种问题，包括特征的脆弱性，从大气中吸附污染物，以及可能随着时间的推移而退化等等。因此，为了解决上述问题，在蛾眼的结构上涂上了银膜，制成了光反射率低、红外光穿透率低的隔热膜。银膜在空气中发生化学反应，具有较高的稳定性、良好的力学和附着力，因此具有重要的应用价值。此外，银在可见区域的反射率较低，在红外光谱上的反射率高于铝，适用于镀膜保温。由于本研究未来可应用于汽车隔热和绿色建筑，因此所研制的AR膜在紫外和红外波段需要高反射，在可见光波段需要低反射。传统的保温膜主要采用多层光学膜涂层或金属膜涂层来阻挡紫外线和红外线。一般薄膜将光线阻挡在红外和紫外波段时，容易使光线的透光度大大降低，影响室内采光;同时，由于窗面反射率高，光线被金属表面反射后，会引起内部反射，容易产生明显的反射。目前市售的隔热膜能阻隔99%以上的紫外线和35~97%的红外线。因此，本研究拟在阻挡大量热辐射的前提下，利用银膜制作蛾眼结构，希望能提高光穿透能力，减少内侧反射。许多研究已经证明了各种基于蛾眼结构的金属涂层。补充表SI显示了基于不同金属基蛾眼结构的参数及反射率和透射率的比较。从表S1可以看出，用允许的制造方法可以形成金属的蛾眼结构。

在整个研究过程中，我们研究了蛾眼AR表面涂有不同厚度的银层的使用。我们预计在850nm到1800nm的光谱范围内有高反射，在400到800nm之间有高透射。本研究提出了在这一作用中使用银层的实验研究。我们将这些样品与广泛使用的商业样品进行比较。这些商业产品在红外光谱范围和紫外光谱范围内对日光的透过率都不低，在可见光谱范围内的透过率也相对较小。本研究制备的隔热膜性能明显优于商用产品。我们的研究结果表明，在可见光谱区域，具有银层产生抗反射亚波长结构表面的元素具有良好的透过率和*小的眩光，而在红外范围，它具有高反射率。

为了提高转换效率，必须利用不同折射率层的累积形成抗反射(AR)涂层来降低阳光的反射。这种结构可以改变有效的反射指数。图1描述了制作步骤。首先，将UV可固化的液体材料输送到as凹腔中的Ni模板上。为了防止气泡被困在树脂层中，将由柔性聚酯(PET)薄膜制成的ASS衬底放置在所分配的树脂上。采用日本大阪Toyobo株式会社生产的Toyobo PET薄膜(厚度185μm)。紫外线不能穿透PET薄膜。PET薄膜涂层模板然后层压与高度控制辊，从一边移动到另一边，去除多余的树脂和控制UV树脂层厚度。因此，涂层树脂层的厚度为200μm。实验使用波长范围为250~420nm的紫外光。它的曝光强度是40mW/cm²在365nm波长，由光度计给出。然后我们将样品固化12分钟，并在室温下固化树脂。接下来，我们从Ni模具中去除带有ASSs的柔性PET薄膜。利用先进的等离子体增强磁控溅射(PEMS)系统，我们在亚波长结构上沉积了一层银。为了分析银层的光学特性以及亚波长结构，PET衬底上银层的亚波长结构具有18、25、50和75nm的厚度。在本研究中，使用JascoV-570型商用分光光度计测量透射率和反射率。对这些特性的测量落在零阶范围内。

*后讨论了三种保温膜的透光率差异，包括两种商用保温膜和目前研制的保温膜。Sun Mark技术通过纳米研磨/分散技术利用纳米颗粒转换性能。

图1.纳米压印法减反射原理图。