CN111565554A - 一种多光谱透明微波吸收材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多光谱透明微波吸收材料及其制备方法。所述多光谱透明微波吸收材料包括光学窗口、形成在所述光学窗口上表面的表层周期金属网栅和形成在所属光学窗口下表面的底层周期金属网栅。本发明采用光刻工艺在光学***窗口玻璃的上表面和下表面分别镀制具有特定线宽与周期结构的金属网栅，形成具有多光谱透明和微波吸收特性的光学窗口材料，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波8‑18GHz频段内存在吸收峰，反射率最小值不大于‑6dB，且具有极化不敏感特性。

Description

一种多光谱透明微波吸收材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及微波吸收材料技术领域，尤其涉及一种多光谱透明微波吸收材料及其制备方法。
背景技术
随着***集成技术的发展，越来越多的仪器设备都同时存在光学***与微波***，两者相互影响。微波***通常有屏蔽与吸波的要求，这就对光学***窗口的电磁性能提出了较高的要求，需要在保证光学透明的条件下实现微波屏蔽与吸收。传统采用ITO导电薄膜的方式，只对可见光***有效。单层金属网栅在保证光学透明的条件下可以实现微波屏蔽，却无法实现微波吸收，这是有些仪器设备所不允许的。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于周期金属网栅的多光谱透明微波吸收材料，解决以往光学***窗口玻璃无法实现光学透明与微波屏蔽、吸收兼容的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种多光谱透明微波吸收材料，包括光学窗口、形成在所述光学窗口上表面的表层周期金属网栅和形成在所属光学窗口下表面的底层周期金属网栅。
优选地，所述表层周期金属网栅和/或所述底层周期金属网栅的周期结构单元为正四边形或正六边形。
优选地，当所述周期结构单元为正四边形时，所述周期结构单元的边长为1-2mm，线宽为0.05-0.1mm；
当所述周期结构单元为正六边形时，所述周期结构单元的边长为4-12mm，线宽为0.05-0.1mm。
优选地，所述表层周期金属网栅和/或所述底层周期金属网栅的材料为铜。
优选地，所述光学窗口的材料选自锗、石英、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌、硒化锌、金红石、蓝宝石中的任一种或多种。
优选地，所述光学窗口的厚度为3-6mm；
所述表层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm；和/或
所述底层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm。
优选地，所述多光谱透明微波吸收材料具有如下一个或多个性质：
在可见光及红外频谱的透光率大于80％；
在微波8-18GHz频段内存在吸收峰，且反射率最小值不大于-6dB。
一种所述多光谱透明微波吸收材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用光刻工艺在光学窗口上表面镀制表层周期金属网栅的步骤；和
(2)采用光刻工艺在光学窗口下表面镀制底层周期金属网栅的步骤。
优选地，所述步骤(1)按照如下方法进行：
在光学窗口上表面涂覆光敏胶，使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述表层周期金属网栅；和/或
所述步骤(2)按照如下方法进行：
在光学窗口下表面涂覆光敏胶，使用依据底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述底层周期金属网栅。
优选地，在步骤(1)之前还包括对光学窗口进行预处理的步骤；
优选地，所述预处理按照如下方法进行：
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面和下表面进行预处理，温度为110-120℃，处理时间10-20min。
有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：
本发明采用光刻工艺在光学***窗口玻璃的上表面和下表面分别镀制具有特定线宽与周期结构的金属网栅，形成具有多光谱透明和微波吸收特性的光学窗口材料，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波8-18GHz频段内存在吸收峰，且反射率最小值不大于-6dB，还具有极化不敏感特性。
附图说明
图1是基于周期金属网栅的多光谱透明微波吸收材料的结构示意图；
图2是表层周期金属网栅结构单元及周期形式示意图；
图3是实施例1的吸收曲线图；
图4是实施例2的吸收曲线图；
图5是实施例3的吸收曲线图；
图6是实施例4的吸收曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
〈第一方面〉
本发明在第一方面提供了一种多光谱透明微波吸收材料，所述多光谱透明微波吸收材料包括光学窗口、形成在所述光学窗口上表面的表层周期金属网栅和形成在所属光学窗口下表面的底层周期金属网栅。
当电磁波打到表层周期金属网栅后，激发出表面电流，透过光学窗口，与底层周期金属网栅产生谐振，吸收了电磁波。
光学窗口
所述光学窗口的材料优选选自锗、石英玻璃、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌、硒化锌、金红石、蓝宝石中的任一种或多种，更优选为石英玻璃、氟化镁、硫化锌中的任一种或多种。
在一些优选的实施方式中，所述光学窗口的厚度为3-6mm，例如，3mm，4mm，5mm，6mm。
表层周期金属网栅
表层周期金属网栅形成在所述光学窗口的上表面。表层周期金属网栅的周期结构单元可以为正四边形或正六边形。当所述周期结构单元为正四边形时，所述周期结构单元的边长优选为1-2mm(例如，1mm、1.5mm、2mm)，线宽为0.05-0.1mm(例如，0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm)；当所述周期结构单元为正六边形时，所述周期结构单元的边长优选为4-12mm(例如，4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm)，线宽为0.05-0.1mm(例如，0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm、0.09mm、0.1mm)。
在一些优选的实施方式中，表层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm，例如，0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm。
在材料选择上，表层周期金属网栅的材料优选为铜。
底层周期金属网栅
底层周期金属网栅形成在所述光学窗口的下表面。底层周期金属网栅的周期结构单元可以为正四边形或正六边形。需要说明的是，底层周期金属网栅的周期结构单元可以与表层周期金属网栅的周期结构单元相同，如，两者均为正四边形或正六边形，也可以不相同，如一个为正四边形，另一个为正六边形。当所述周期结构单元为正四边形时，所述周期结构单元的边长优选为1-2mm，线宽为0.05-0.1mm；当所述周期结构单元为正六边形时，所述周期结构单元的边长优选为4-12mm。线宽为0.05-0.1mm。
在一些优选的实施方式中，底层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm，例如，0.02mm、0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm、0.07mm、0.08mm。
在材料选择上，底层周期金属网栅的材料优选为铜。
经过检测，本发明在第一方面提供的多光谱透明微波吸收材料具有如下一个或多个性质：
在可见光及红外频谱的透光率大于80％；
在微波8-18GHz频段内存在吸收峰，且反射率最小值不大于-6dB；和
具有极化不敏感特性。
〈第二方面〉
本发明在第二方面提供了一种本发明在第一方面提供的多光谱透明微波吸收材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)采用光刻工艺在光学窗口上表面镀制表层周期金属网栅的步骤；和
(2)采用光刻工艺在光学窗口下表面镀制底层周期金属网栅的步骤。
需要说明的是，步骤(1)和步骤(2)的顺序发生变化不会影响制备方法。
在一些优选的实施方式中，所述步骤(1)按照如下方法进行：
在光学窗口上表面涂覆光敏胶，使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述表层周期金属网栅。
在一些优选的实施方式中，所述步骤(2)按照如下方法进行：
在光学窗口下表面涂覆光敏胶，使用依据底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述底层周期金属网栅。
在一些优选的实施方式中，在步骤(1)之前还包括对光学窗口进行预处理的步骤；
优选地，所述预处理按照如下方法进行：
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面和下表面进行预处理，温度为110-120℃，处理时间10-20min。
以下是本发明列举的实施例。
实施例1
本实施例提供的多光谱透明微波吸收材料由表层周期金属网栅、光学窗口、底层周期金属网栅组成，为三层结构，如图1所示，光学窗口位于中间，上表面形成有表层周期金属网栅，下表面形成有底层周期金属网栅。
由上至下，第一层为表层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm，第二层为光学窗口，材料为石英玻璃，厚度d2＝5mm，第三层为底层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm。其中，表层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃上表面镀制而成，周期结构单元为正六边形，结构单元及周期形式如图2所示，边长a＝4mm，线宽b＝0.07mm。底层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃下表面镀制而成，周期结构单元为正四边形，结构单元及周期形式如下：边长＝1mm，线宽＝0.07mm。
制备方法包括如下步骤：
S1、对光学窗口进行预处理
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口上表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。
S2、表层周期金属网栅镀制
涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，得到表层周期金属网栅。
S3、底层周期金属网栅镀制
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃下表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据设计的底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，等到底层周期金属网栅。
如图3所示，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波8.8GHz处形成吸收峰，反射率最小值为-34dB，且具有极化不敏感特性。
实施例2
本实施例提供的多光谱透明微波吸收材料由表层周期金属网栅、光学窗口、底层周期金属网栅组成，为三层结构，如图1所示，光学窗口位于中间，上表面形成有表层周期金属网栅，下表面形成有底层周期金属网栅。
由上至下，第一层为表层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm，第二层为光学窗口玻璃，材料为石英玻璃，厚度d2＝3mm，第三层为底层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm。其中，表层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃上表面镀制而成，周期结构单元为正六边形，结构单元及周期形式如图2所示，a＝5mm，b＝0.08mm。底层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃下表面镀制而成，周期结构单元为正四边形，结构单元及周期形式如下：a＝1.5mm，b＝0.08mm。
制备方法包括如下步骤：
S1、对光学窗口进行预处理
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。
S2、表层周期金属网栅镀制
涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，得到表层周期金属网栅。
S3、底层周期金属网栅镀制
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃下表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据设计的底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，等到底层周期金属网栅。
如图4所示，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波15GHz处形成吸收峰，反射率最小值为-17dB。且具有极化不敏感特性。
实施例3
本实施例提供的多光谱透明微波吸收材料由表层周期金属网栅、光学窗口、底层周期金属网栅组成，为三层结构，如图1所示，光学窗口位于中间，上表面形成有表层周期金属网栅，下表面形成有底层周期金属网栅。
由上至下，第一层为表层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm，第二层为光学窗口玻璃，材料为石英玻璃，厚度d2＝4mm，第三层为底层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm。其中，表层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃上表面镀制而成，周期结构单元为正六边形，结构单元及周期形式如图2所示，a＝8mm，b＝0.07mm。底层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃下表面镀制而成，周期结构单元为正四边形，结构单元及周期形式如下：a＝2mm，b＝0.07mm。
制备方法包括如下步骤：
S1、对光学窗口进行预处理
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。
S2、表层周期金属网栅镀制
涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，得到表层周期金属网栅。
S3、底层周期金属网栅镀制
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃下表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据设计的底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，等到底层周期金属网栅。
如图5所示，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波13GHz处产生吸收峰，反射率最小值为-6.2dB，且具有极化不敏感特性。
实施例4
本实施例提供的多光谱透明微波吸收材料由表层周期金属网栅、光学窗口、底层周期金属网栅组成，为三层结构，如图1所示，光学窗口位于中间，上表面形成有表层周期金属网栅，下表面形成有底层周期金属网栅。
由上至下，第一层为表层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm，第二层为光学窗口玻璃，材料为石英玻璃，厚度d2＝3mm，第三层为底层周期金属网栅，厚度d1＝0.05mm。其中，表层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃上表面镀制而成，周期结构单元为正六边形，结构单元及周期形式如图2所示，a＝2mm，b＝0.01mm。底层周期金属网栅为采用光刻工艺在光学窗口玻璃下表面镀制而成，周期结构单元为正四边形，结构单元及周期形式如下：a＝5mm，b＝0.01mm。
制备方法包括如下步骤：
S1、对光学窗口进行预处理
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。
S2、表层周期金属网栅镀制
涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，得到表层周期金属网栅。
S3、底层周期金属网栅镀制
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃下表面进行预处理，温度为120℃，处理时间10min。涂覆厚度为3um的光敏胶。使用依据设计的底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，曝光剂量为104mJ/cm2。采用3038显影液进行显影，显影时间45s。采用真空磁控溅射镀制0.05mm的铜。采用丙酮超声剥离10min，并采用异丙醇漂洗。最后氮气吹干，等到底层周期金属网栅。
如图6所示，该光学窗口材料在可见光及红外频谱透光率大于80％，在微波18GHz处有吸收峰，反射率最小值为-5dB，吸波性能较差。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多光谱透明微波吸收材料，其特征在于，包括光学窗口、形成在所述光学窗口上表面的表层周期金属网栅和形成在所属光学窗口下表面的底层周期金属网栅。
2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，
所述表层周期金属网栅和/或所述底层周期金属网栅的周期结构单元为正四边形或正六边形。
3.根据权利要求2所述的材料，其特征在于，
当所述周期结构单元为正四边形时，所述周期结构单元的边长为1-2mm，线宽为0.05-0.1mm；
当所述周期结构单元为正六边形时，所述周期结构单元的边长为4-12mm，线宽为0.05-0.1mm。
4.根据权利要求1至3任一项所述的材料，其特征在于，
所述表层周期金属网栅和/或所述底层周期金属网栅的材料为铜。
5.根据权利要求1至4任一项所述的材料，其特征在于，
所述光学窗口的材料选自锗、石英、氟化镁、氟化钡、氟化钙、硫化锌、硒化锌、金红石、蓝宝石中的任一种或多种。
6.根据权利要求1至5任一项所述的材料，其特征在于，
所述光学窗口的厚度为3-6mm；
所述表层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm；和/或
所述底层金属网栅的厚度为0.02-0.08mm。
7.根据权利要求1至6任一项所述的材料，其特征在于，
所述多光谱透明微波吸收材料具有如下一个或多个性质：
在可见光及红外频谱的透光率大于80％；
在微波8-18GHz频段内存在吸收峰，且反射率最小值不大于-6dB。
8.一种权利要求1至7任一项所述材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)采用光刻工艺在光学窗口上表面镀制表层周期金属网栅的步骤；和
(2)采用光刻工艺在光学窗口下表面镀制底层周期金属网栅的步骤。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，
所述步骤(1)按照如下方法进行：
在光学窗口上表面涂覆光敏胶，使用依据表层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述表层周期金属网栅；和/或
所述步骤(2)按照如下方法进行：
在光学窗口下表面涂覆光敏胶，使用依据底层周期金属网栅图案预制的掩膜版进行图案曝光，然后进行显影，再采用真空磁控溅射镀制铜，得到所述底层周期金属网栅。
10.根据权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，
在步骤(1)之前还包括对光学窗口进行预处理的步骤；
优选地，所述预处理按照如下方法进行：
采用六甲基二硅氮烷对光学窗口玻璃上表面和下表面进行预处理，温度为110-120℃，处理时间10-20min。
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