CN108614313B - 可调的降低光学表面反射率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调的降低光学表面反射率的方法，包括以下步骤：根据所需的光学表面反射率、二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数；根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜沉积到所述目标光学基底上。本发明通过在目标光学基底表面上沉积不同层数的二维材料薄膜，可对目标光学基底表面的反射率进行调制，具有宽波段和宽角度、简单易操作的有益效果。

Description

可调的降低光学表面反射率的方法
技术领域
本发明涉及光学薄膜和二维材料技术领域，特别涉及一种可调的降低光学表面反射率的方法。
背景技术
在光学***中，为了抑制杂散光、光照引起的温度升高或者增加光学表面的透过率，通常要用到降低光学表面反射率的薄膜。降低光学表面反射率的途径通常有两种，一种是减反膜，它又被称为增透膜。即该薄膜既能降低表面反射率又能增加透过率。通常是在光学表面上沉积一种或多种材料的薄膜，薄膜的厚度根据减反射条件来确定。由于薄膜材料和基底具有色散，导致这种方法通常只能在有限的波长区域具有减反射的特征。要想获得宽波段的减反射膜，通常需要复杂的优化设计和制备。另一种是黑体材料，它通过材料的吸收降低光学表面的反射率。这里，我们提供第三种途径，即在光学表面沉积石墨烯薄膜，光学表面反射率降低的程度可以通过石墨烯薄膜的层数来调节。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种可调的降低光学表面反射率的方法。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种可调的降低光学表面反射率的方法，包括以下步骤：
根据所需的光学表面反射率、二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数；
根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜沉积到所述目标光学基底上。
一些实施例中，根据所需的光学表面反射率、所述二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数，包括以下步骤：
计算二维材料薄膜的相位厚度：δ＝2πNd/λ (1)
其中，δ是二维材料薄膜的位相厚度，N是二维材料薄膜的复合折射率，Ns为目标光学基底的复合折射率，d为二维材料薄膜的厚度，λ是波长；
计算二维材料薄膜的光学导纳y：
y＝H/E＝NY (2)；
其中，H表示磁场强度，Eb表示出射界面电场强度，设N0＝1，N＝n-ik，Ns＝ns-iks，n表示二维材料折射率，k表示二维材料消光系数，ns表示基底折射率，ks表示基底消光系数，i表示复数虚部，y0表示空气的光学导纳；
根据所述二维材料薄膜的相位厚度δ、二维材料薄膜的光学导纳y，并结合公式(3)计算归一化的电场强度B和磁场强度C：
Figure BDA0001655291090000021
其中，Ea,Ha为入射电场强度和磁场强度，Eb,Hb为出射电场强度和磁场强度，B和C为归一化的电场强度和磁场强度；
将公式(3)做近似处理，得到公式(4)：
Figure BDA0001655291090000022
现有二维材料薄膜反射率计算公式为：
Figure BDA0001655291090000023
将公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)，代入公式(5)中，并去掉d/λ的高次项，得到所述二维材料薄膜的光学表面反射率公式(6)：
Figure BDA0001655291090000031
根据公式(6)的关系，得到二维材料薄膜的总厚度d，从而得到所述二维材料薄膜的堆积层数。
一些实施例中，所述二维材料薄膜为石墨烯薄膜。
一些实施例中，根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜沉积到所述目标光学基底上，包括以下步骤：
步骤11、将石墨烯生长在铜箔上形成石墨烯薄膜，并将PMMA旋涂在所述石墨烯薄膜上；
步骤12、将所述铜箔进行刻蚀去除，并将所述PMMA支撑的所述石墨烯薄膜转移至目标光学基片上；
步骤13、将所述PMMA溶解去除；
重复步骤11-13，直到达到所计算的石墨烯薄膜的堆积层数。
一些实施例中，所述步骤11包括以下步骤：采用化学气相沉积法制作石墨烯薄膜，以甲烷为碳源，化学气相沉积反应炉温度为1000°。
一些实施例中，所述二维材料薄膜为氮化硼、二硫化钼、锗烯或硅烯。
一些实施例中，所述目标光学基底为熔石英基底。
本发明的有益效果是：本发明通过在目标光学基底表面上沉积不同层数的二维材料薄膜，可对目标光学基底表面的反射率进行调制。该方法具有宽波段和宽角度的优点。另外，该方法具有简单和容易操作的特点。使用该方法可以可调的降低光学表面的反射率，从而减小光学***的杂散光。
附图说明
图1为本发明一种可调的降低光学表面反射率的方法的流程图；
图2为本发明一层和十层石墨烯薄膜对硅表面反射率的影响示意图，入射角度8°；
图3为本发明十层石墨烯薄膜对熔石英表面反射率的影响示意图，入射角度8°；
图4为本发明入射角度8°和20°时，一层石墨烯薄膜对硅表面反射率的影响示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参考图1，本发明可调的降低光学表面反射率的方法，包括以下步骤：
首先，根据所需的光学表面反射率、二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数。
然后，根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜按照所计算的堆积层数沉积到所述目标光学基底上。
二维材料薄膜可以为石墨烯薄膜，也可以是其他二维材料薄膜，如氮化硼、二硫化钼、锗烯、硅烯等。
本实施例中，以石墨烯薄膜为例，对本发明可调的降低光学表面反射率的方法的具体步骤进行解释：
首先，根据基本的光学薄膜理论，计算沉积有石墨烯薄膜的光学表面的反射率。在光学薄膜理论中，薄膜的反射率可以由公式(5)计算；
Figure BDA0001655291090000051
其中，B和C分别为B和C为归一化的电场强度和磁场强度，可以由公式(3)计算；
Figure BDA0001655291090000052
其中，Ea、Ha分别为入射电场强度和磁场强度，Ea、Hb分别为出射电场强度和磁场强度，B和C为归一化的电场强度和磁场强度；δ是石墨烯薄膜的位相厚度，由公式(1)计算：δ＝2πNd/λ (1)
y是二维材料薄膜的光学导纳，由公式(2)计算，y＝H/E＝NY (2)。
其中，y0、y和ys分别是空气、石墨烯薄膜和目标光学基底的光学导纳。
d是石墨烯薄膜总厚度，λ是波长，y0是空气导纳。在远紫外波段，d/λ的值在10-3左右，所以，δ是极小值。
因此可以对公式(3)做近似处理，得到公式(4)：
Figure BDA0001655291090000053
H表示磁场强度，Eb表示出射界面电场强度，设N0＝1，N＝n-ik，Ns＝ns-iks，n表示二维材料折射率，k表示二维材料消光系数，ns表示基底折射率，ks表示基底消光系数,N是二维材料薄膜的复合折射率，i表示复数虚部。
如果设定N0＝1，N(薄膜复合折射率)＝n-ik，Ns(光学基底复合折射率)＝ns-iks,把公式(1-4)代入公式(5)，并去掉d/λ的高次项，就得到了简化的沉积有石墨烯薄膜的光学表面反射率计算公式(6)：
Figure BDA0001655291090000061
结合公式(6)，并在已知想要得到的反射率后，即可得到所需沉淀的石墨烯的层数。
然后，按照计算得到的所需沉淀的石墨烯层数，采用化学气相沉积法制作多层石墨烯薄膜，包括以下步骤：
步骤11、将石墨烯生长在铜箔上形成石墨烯薄膜，并将PMMA旋涂在所述石墨烯薄膜上；
步骤12、将所述铜箔进行刻蚀去除，并将所述PMMA支撑的所述石墨烯薄膜转移至目标光学基片上；
步骤13、将所述PMMA溶解去除；
重复步骤11-13，直到达到所计算的石墨烯薄膜的堆积层数。
具体地，以甲烷为碳源，化学气相沉积反应炉温度为1000°。石墨烯生长在铜箔上，然后将PMMA旋涂在石墨烯上，将铜箔用三氯化铁刻蚀去除，再将PMMA支撑的石墨烯薄膜转移至目标光学基片上，最后用丙酮将PMMA溶解掉。这样石墨烯就沉积在目标光学表面上。不同层数的石墨烯薄膜通过重复上述过程即可获得。
分别将一层和十层石墨烯薄膜转移至硅片上，硅片的粗糙度是0.5nm。图2给出了一层和十层石墨烯薄膜对硅表面反射率的影响示意图，入射角度8°。测试是在Mcpherson公司的VUVas2000上进行的，测试波长范围130-219nm，步进1nm。从图2可以看出，一层石墨烯将硅片的反射率从45-65％降至20-53％，十层石墨烯将硅片的反射率从45-65％降至2.5-12％。石墨烯薄膜也能够降低熔石英表面的反射率。因此，可以通过控制沉积石墨烯薄膜的层数，达到灵活调制光学表面反射率的目的。
图3给出了十层石墨烯薄膜对熔石英表面反射率的影响示意图，入射角度8°，熔石英基底的粗糙度为0.5nm。从图3可以看出，十层石墨烯将熔石英基片的反射率从10-4.1％降至3-1.7％。这里，由于熔石英表面反射率较低，导致130-140nm的反射率测试误差较大，因此只对140-219nm波段熔石英的反射率做讨论。从图2和图3可以看出，石墨烯薄膜降低光学表面的反射率具有宽波段的特点。
石墨烯薄膜降低光学表面的反射率的另一个特点是宽角度。图4给出了入射角度8°和20°时，一层石墨烯薄膜对硅表面反射率的影响示意图。从图3可以看出，8°和20°的反射率相差较小，只有0-2％。
本发明的有益效果是：本发明通过在目标光学基底表面上沉积不同层数的二维材料薄膜，可对目标光学基底表面的反射率进行调制。该方法具有宽波段和宽角度的优点。另外，该方法具有简单和容易操作的特点。使用该方法可以可调的降低光学表面的反射率，从而减小光学***的杂散光。
另一方面，本发明提供的简化的正入射条件下有二维材料薄膜沉积的光学表面反射率计算公式，可以对光学表面的反射率降低做理论指导。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (2)

1.一种可调的降低光学表面反射率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据所需的光学表面反射率、二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数；
根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜沉积到所述目标光学基底上；
根据所需的光学表面反射率、所述二维材料薄膜的厚度、自由空间的光学导纳、二维材料薄膜的光学导纳以及目标光学基底的光学导纳来计算所述二维材料薄膜的堆积层数，包括以下步骤：
计算二维材料薄膜的相位厚度：δ＝2πNd/λ (1)
其中，δ是二维材料薄膜的相位厚度，N是二维材料薄膜的复合折射率，d为二维材料薄膜的总厚度，λ是波长；
计算二维材料薄膜的光学导纳y：
y＝H/E (2)；
其中，H表示磁场强度，E表示出射界面电场强度，N＝n-ik，n表示二维材料折射率，k表示二维材料消光系数，ns表示基底折射率，ks表示基底消光系数，i表示复数虚部，y0表示空气的光学导纳；
根据所述二维材料薄膜的相位厚度δ、二维材料薄膜的光学导纳y，并结合公式(3)计算归一化的电场强度B和磁场强度C：
Figure FDA0002575369530000011
其中，Ea、Ha分别为入射电场强度和磁场强度，Eb、Hb分别为出射电场强度和磁场强度，B和C为归一化的电场强度和磁场强度，ys表示目标光学基底的光学导纳；
将公式(3)做近似处理，得到公式(4)：
Figure FDA0002575369530000021
现有二维材料薄膜反射率计算公式为：
Figure FDA0002575369530000022
将公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)，代入公式(5)中，并去掉d/λ的高次项，得到所述二维材料薄膜的光学表面反射率公式(6)：
Figure FDA0002575369530000023
根据公式(6)的关系，得到二维材料薄膜的总厚度d，从而得到所述二维材料薄膜的堆积层数；
其中，所述根据计算的所述二维材料薄膜的堆积层数，将所述二维材料薄膜沉积到所述目标光学基底上，包括以下步骤：
步骤11、将石墨烯生长在铜箔上形成石墨烯薄膜，并将PMMA旋涂在所述石墨烯薄膜上；
步骤12、将所述铜箔进行刻蚀去除，并将所述PMMA支撑的所述石墨烯薄膜转移至目标光学基片上；
步骤13、将所述PMMA溶解去除；
重复步骤11-13，直到达到所计算的石墨烯薄膜的堆积层数；
其中，所述步骤11包括以下步骤：采用化学气相沉积法制作石墨烯薄膜，以甲烷为碳源，化学气相沉积反应炉温度为1000°。
2.如权利要求1所述的可调的降低光学表面反射率的方法，其特征在于，所述目标光学基底为熔石英基底。
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