CN115113316B - 激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法,所述薄膜包括柔性基底,表面具有微纳周期结构;金属反射层,形成在所述微纳周期结构上并与所述柔性基底形成相位超表面,以通过相位梯度调控第一激光的散射方向;吸收层,形成在所述金属反射层上,以单独或者与所述金属反射层共同吸收第二激光,并与金属反射层配合实现中远红外波段的低发射率。本发明实现了中远红外波段和1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低可探测,具有柔性功能并可贴合于任意表面,在可穿戴领域及曲面异形表面有广泛的应用前景。本发明通过对基底表面进行硅烷化处理并制备得到柔性基底,具有工艺简单、制备周期短、可大面积制备的优点。
Description
技术领域
本发明属于多波段电磁波调控的技术领域,尤其涉及一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法。
背景技术
随着多谱段探测技术的发展,红外及激光探测已经广泛应用在各个领域,相对应的红外、激光兼容的低可探测功能材料也有了迫切的需求。
为了实现多波段低可探测的效果,针对红外探测,需要在中远红外波段有低的发射率(高的反射率)(3~14μm);针对激光探测,则需要在1.06μm、1.55μm、和10.6μm这几个激光主要探测波长有低的反射率。因此,若要同时实现对激光和红外的不可见,就存在矛盾性,即需要材料在同一电磁波段具有截然相反的性能。实际应用中还需发展多个激光波长与红外兼容的材料,以应对更复杂的探测环境。
此外,目前的红外激光低探测材料多为硬质基底,不具备柔性。随着红外超材料及微细加工工艺的发展,柔性超材料的加工制备也受到了关注。柔性红外超材料制备工艺目前主要有正向剥离方法和液态金属注入法,其中正向剥离方法的使用较多,它首先在硅片上制作一层有机物的牺牲层,然后在牺牲层表面制作柔性材料;液态金属注入法则是在柔性基材中挖孔,再将液态金属注入后成型,制备方法相对复杂。
因此,针对上述技术问题,有必要提供一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法。
发明内容
针对多激光波长和红外不可见存在的上述问题,本发明提出了一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法,该薄膜能够实现中远红外波段(3~14μm)和1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低可探测,并且具有低的镜面反射。
为此,本发明的一方面提供了一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,包括:
柔性基底,表面具有微纳周期结构;
金属反射层,形成在所述微纳周期结构上并与所述柔性基底形成相位超表面,以通过相位梯度调控第一激光的散射方向;
吸收层,形成在所述金属反射层上,以单独或者与所述金属反射层共同吸收第二激光,并与金属反射层配合实现中远红外波段的低发射率。
进一步地,所述柔性基底的材料包括聚甲基硅氧烷、SEBS和硅橡胶中的一种,柔性基底的厚度为0.1~2mm。
进一步地,所述金属反射层的材料包括金、银、铝和铜中的一种,金属反射层的厚度大于所述材料的趋肤深度。
进一步地,所述第一激光包括波长为10.6μm的激光,所述微纳周期结构基于所述第一激光的散射方向调控需求设计得到。
进一步地,所形成的相位超表面为几何相位超表面或谐振相位超表面,以产生所述相位梯度。
进一步地,所述吸收层为单层本征吸收膜层或多层光子吸收膜层。
进一步地,所述单层本征吸收膜层的材料包括Fe3O4和InAs中的一种,所述多层光子吸收膜层包括Ge/Ti/Ge光子晶体吸收膜层、ZnS/Ti/ZnS光子晶体吸收膜层和Al2O3/W/Al2O3光子晶体吸收膜层中的一种。
进一步地,所述第二激光包括波长为1.064μm的激光和波长为1.55μm的激光,所述中远红外波段的波长范围为3~14μm,其中,所述吸收层在中远红外波段无损耗且所述金属反射层具有低红外辐射特性。
本发明的另一方面提供了上述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的制备方法,包括:
S1,在基底上光刻制备微结构,所述微结构具有与所述微纳周期结构相对应的反图案;
S2,采用聚三甲基氯硅烷对具有微结构的基底表面进行硅烷化处理;
S3,将混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷倒在S2处理好的基底表面,真空条件下加热固化;
S4,炉冷后揭下具有微纳周期结构的柔性基底,在柔性基底的微纳周期结构上依次形成金属反射层和吸收层,得到所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜。
进一步地,所述基底为硅片;所述硅烷化处理为将具有微结构的基底放置于真空干燥器中30~120min并利用聚三甲基氯硅烷干法沉积形成分子膜;所述混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷为按照10:1~3的质量比混合液态聚甲基硅氧烷与固化剂,混合均匀后真空除泡20~60min后制得;固化条件为60~100℃下真空固化1~3h。
与现有技术相比,本发明的有益效果包括:
(1)本发明的激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜实现了中远红外波段(3~14μm)和1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低可探测。其中,1.064μm和1.55μm激光波长不可见的机理为吸收机理,10.6μm激光波长低探测机理为相位相消机理,同时该柔性电磁功能薄膜具有低的镜面反射。
(2)本发明的柔性电磁功能薄膜具有柔性功能,可贴合于任意表面,在可穿戴领域及曲面异形表面有广泛的应用前景。
(3)此外,本发明通过对基底表面进行硅烷化处理并制备得到柔性基底,具有工艺简单、制备周期短、可大面积制备并且成本低的优点。
附图说明
为了更清楚地理解本发明的结构和实施例,下面将对所需要的附图进行说明,以下附图仅代表本发明的某些实施例。
图1示出了根据本发明示例性实施例1激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的局部结构示意图。
图2示出了根据本发明示例性实施例1激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在0.8~1.7μm波长范围内的反射率测试曲线图。
图3示出了根据本发明示例性实施例1激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在3~14μm波长范围内的镜面反射率测试曲线图。
图4示出了根据本发明示例性实施例1激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在3~14μm波长范围内的发射率测试曲线图。
图5示出了根据本发明示例性实施例2激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在0.8~1.7μm波长范围内的反射率仿真曲线图。
图6示出了根据本发明示例性实施例2激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在8~14μm波长范围内的镜面反射率仿真曲线图。
图7示出了根据本发明示例性实施例2激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜在8~14μm波长范围内的发射率仿真曲线图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征,或公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征,除非特别叙述,均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即,除非特别叙述,每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
为了使本发明的内容易于理解,下面将结合附图和具体实施例进行详细的说明,所列举的实施例仅为本发明的部分实施例,在不背离本发明的情况下还可以有其他组合方式。
本发明旨在提供一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜及其制备方法,一方面该柔性薄膜能够实现中远红外波段(3~14μm)以及1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低探测并且具有低的镜面反射。另一方面,本发明还提出了上述柔性电磁功能薄膜的简单制备方法,即通过对基片表面进行硅烷化处理,去除了传统正向剥离方法中光刻胶牺牲层的旋涂和清洗步骤,从而使得制备步骤更加简便和高效。
以下将结合附图对本发明作详细说明。
图1示出了根据本发明示例性实施例激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的局部结构示意图。
如图1所示,根据本发明的示例性实施例,所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜包括:柔性基底1,表面具有微纳周期结构;金属反射层2,形成在微纳周期结构上并与柔性基底1形成相位超表面,以通过相位梯度调控第一激光的散射方向;吸收层3,形成在金属反射层2上,以单独或者与金属反射层2共同吸收第二激光,并与金属反射层2配合实现中远红外波段的低发射率。
为了实现多波段低可探测的效果,针对红外探测,需要在中远红外波段(3~14μm)有低的发射率;针对激光探测,则需要在1.06μm、1.55μm和10.6μm这几个激光主要探测波长有低的反射率。本发明通过选择材料和设计结构使所得薄膜具有多激光波长和红外兼容功能的同时具备柔性,能够实现中远红外波段(3~14μm)以及1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低探测并且具有低的镜面反射。
其中,本发明的柔性基底1可以选用固化前为液态,固化后为柔性状态的材料,具体包括聚甲基硅氧烷(PDMS)、SEBS和硅橡胶中的一种;柔性基底1的厚度为0.1~2mm。
本发明的金属反射层2的材料可以采用常规反射层材料,具体包括金、银、铝和铜中的一种;金属反射层2的厚度应大于材料本身的趋肤深度,具体可以根据所选择的材料设置。
柔性基底1上的微纳周期结构主要基于第一激光的散射方向调控需求设计得到,第一激光包括波长为10.6μm的激光。通过调控第一激光的散射方向,从而能够降低其镜面反射率,达到不可见的效果。
具体地,通过对微纳周期结构的设计优化,本发明中由具有微纳周期结构的柔性基底1与金属反射层2共同形成的相位超表面可以为几何相位超表面或谐振相位超表面,通过调控该几何相位超表面或谐振相位超表面可以产生相位梯度,进而利用相位相消原理实现第一激光的散射方向调控。
本发明的吸收层3可以为单层本征吸收膜层或多层光子吸收膜层,吸收层的厚度可根据吸收层类型进行调整。其中,单层本征吸收膜层利用本征吸收方式实现特定波长的激光吸收,单层本征吸收膜层的材料可以包括Fe3O4和InAs中的一种;多层光子吸收膜层则利用其多层膜结构与金属反射膜之间的干涉衍射实现特定波长激光的吸收,多层光子吸收膜层的材料可以包括Ge/Ti/Ge光子晶体吸收膜层、ZnS/Ti/ZnS光子晶体吸收膜层和Al2O3/W/Al2O3光子晶体吸收膜层中的一种。其中,上述多层光子吸收膜层为多层膜结构,例如可以为Ge、Ti和Ge组成的多层膜结构、ZnS、Ti和ZnS组成的多层膜结构或者Al2O3、W和Al2O3组成的多层膜结构。
具体地,第二激光可以包括波长为1.064μm的激光和波长为1.55μm的激光。本发明的吸收层在1.064μm和1.55μm两个激光波长有强烈吸收。
根据本发明,本发明的薄膜还具有中远红外波段的低发射率,这要求吸收层3在波长范围为3~14μm的中远红外波段无损耗且金属反射层2具有低红外辐射特性,否则具有中远红外损耗的吸收层会影响金属反射层在中远红外波段的低红外辐射特性。
由此,上述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜能够实现中远红外波段(3~14μm)和1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低可探测。
本发明同时提供了上述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的制备方法,通过对基底表面进行硅烷化处理,去除了传统正向剥离方法中光刻胶牺牲层的旋涂和洗掉步骤,从而使得制备步骤更加简便和高效。
根据本发明的示例性实施例,上述制备方法包括以下步骤。
步骤S1:
在基底上光刻制备微结构,该微结构具有与微纳周期结构相对应的反图案。
优选地,基底为硅片。在完成微纳周期结构设计后,可以利用传统光刻方法在基底上形成与微纳周期结构对应的反图案。
步骤S2:采用聚三甲基氯硅烷对具有微结构的基底表面进行硅烷化处理。
本步骤的硅烷化处理具体为将具有微结构的基底放置于真空干燥器中30~120min并利用聚三甲基氯硅烷干法沉积形成分子膜,取出后可用酒精冲洗并用氮气吹干备用,从而能够实现后续柔性基底便于脱模的效果。
步骤S3:
将混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷倒在步骤S2处理好的基底表面,真空条件下加热固化。
本步骤中混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷具体为按照10:1~3的质量比混合液态聚甲基硅氧烷与固化剂,混合均匀后真空除泡20~60min后制得。
真空条件下加热固化的条件可以为在60~100℃下真空固化1~3h,具体可以根据材料情况调整,实现固化即可。
步骤S4:
炉冷后揭下具有微纳周期结构的柔性基底,在柔性基底的微纳周期结构上依次形成金属反射层和吸收层,得到激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜。
本步骤可以根据所需沉积的金属反射层和吸收层材料及厚度选用合适的膜层制备方法,例如磁控溅射沉积、化学气相沉积、蒸发沉积等。
本发明通过对基底表面进行硅烷化处理来制备柔性基底,具有工艺简单、制备周期短、可大面积制备并且成本低的优点。
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
本实施例的微纳周期结构是由正交光栅的棋盘状布局组成,每5个光栅为一组进行正交棋盘分布以形成谐振相位超表面,单个光栅的周期为4.5μm、宽1.38μm、高2.6μm,如图1所示。在具有上述正交光栅的柔性基底上依次采用磁控溅射沉积50nm金膜作为金属反射层以及包括锗膜16nm、钛膜25nm和锗膜28nm的3层膜作为吸收层。
其中,具有上述微纳周期结构的柔性基底制备过程为:
在硅片上光刻得到微结构,该微结构具有与上述微纳周期结构相对应的反图案;将聚三甲基氯硅烷对与带有微结构的硅片放置在真空干燥器中放置30min进行硅烷化处理,随后取出用酒精冲洗并用氮气吹干备用;按照10:1.5的配比混合聚甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂,混合均匀后真空除泡30min;将混合好的液态PDMS倒在硅烷化的硅片表面,随后在80℃真空固化2h;炉冷后揭下固化好的具有上述微纳周期结构的柔性基底。
如图2、3所示,本实施例所加工的柔性电磁功能薄膜在1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的反射率分别为0.019、0.055、0.1;如图3所示,其在3μm~14μm的红外波段平均镜面反射率为0.21;如图4所示,其在3μm~14μm的红外波段平均发射率为0.13。
实施例2
本实施例所设计的微纳周期结构也是由正交光栅的棋盘状布局组成,每5个光栅为一组进行正交棋盘分布以形成谐振相位超表面,单个光栅的周期为4.5μm、宽1.4μm、高2.4μm。以50nm银膜作为金属反射层,以140nm的Fe3O4层作为吸收层。
具有上述微纳周期结构的柔性基底制备方法与实施例一致。
如图5所示,在TE极化下1.064μm、1.55μm激光波长的反射率仿真计算结果分别为0.043、0.022,在TM极化下1.064μm、1.55μm激光波长的反射率仿真计算结果分别为0.055、0.011;如图6所示,10.6μm激光波长的反射率仿真计算结果为0.002,同时在8μm~14μm的红外波段平均镜面反射率仿真计算结果为0.116;如图7所示,其在8μm~14μm的红外波段TE和TM极化下平均发射率仿真计算结果分别为0.031、0.1。
上述两个实施例表明,本发明所设计制备的柔性电磁功能薄膜在1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的反射率均小于0.1,实现了激光雷达的低可探测;同时在中远红外波段具有小于0.15的发射率,也具有中远红外波段低探测性。这证明了本发明的薄膜能够同时实现多激光波段和红外的兼容电磁调控,为该领域的材料设计提供了新思路;此外还具备柔性,可以大批量低成本地生产,易于规模化生产和应用。
此外,本发明还分别采用了SEMS和硅橡胶柔性基底、铝金属反射层和铜金属反射层、ZnS/Ti/ZnS光子晶体吸收膜层和Al2O3/W/Al2O3光子晶体吸收膜层制备得到的不同柔性电磁功能薄膜进行了仿真计算,结果显示所得薄膜均在中远红外波段(3~14μm)有低的发射率且在1.06μm、1.55μm和10.6μm这几个激光主要探测波长有低的反射率,能够实现中远红外波段(3~14μm)和1.064μm、1.55μm和10.6μm三个激光波长的低可探测。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,包括:
柔性基底,表面具有微纳周期结构;
金属反射层,形成在所述微纳周期结构表面并与所述柔性基底形成相位超表面,以通过相位梯度调控第一激光的散射方向;
吸收层,形成在所述金属反射层表面,以单独或者与所述金属反射层共同吸收第二激光,并与金属反射层配合实现中远红外波段的低发射率;
其中,所述吸收层为单层本征吸收膜层或多层光子吸收膜层,所述单层本征吸收膜层利用本征吸收方式单独实现特定波长激光的吸收,所述多层光子吸收膜层利用多层膜结构与所述金属反射层之间的干涉衍射共同实现特定波长激光的吸收。
2.根据权利要求1所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所述柔性基底的材料包括聚甲基硅氧烷、SEBS和硅橡胶中的一种,柔性基底的厚度为0.1~2mm。
3.根据权利要求1所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所述金属反射层的材料包括金、银、铝和铜中的一种,金属反射层的厚度大于所述材料的趋肤深度。
4.根据权利要求1所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所述第一激光包括波长为10.6μm的激光,所述微纳周期结构基于所述第一激光的散射方向调控需求设计得到。
5.根据权利要求4所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所形成的相位超表面为几何相位超表面或谐振相位超表面,以产生所述相位梯度。
6.根据权利要求1所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所述单层本征吸收膜层的材料包括Fe3O4和InAs中的一种,所述多层光子吸收膜层包括Ge/Ti/Ge光子晶体吸收膜层、ZnS/Ti/ZnS光子晶体吸收膜层和Al2O3/W/Al2O3光子晶体吸收膜层中的一种。
7.根据权利要求1所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜,其特征在于,所述第二激光包括波长为1.064μm的激光和波长为1.55μm的激光,所述中远红外波段的波长范围为3~14μm,其中,所述吸收层在中远红外波段无损耗且所述金属反射层具有低红外辐射特性。
8.如权利要求1至7中任一项所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的制备方法,其特征在于,包括:
步骤S1,在基底上光刻制备微结构,所述微结构具有与所述微纳周期结构相对应的反图案;
步骤S2,采用聚三甲基氯硅烷对具有微结构的基底表面进行硅烷化处理;
步骤S3,将混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷倒在步骤S2处理好的基底表面,真空条件下加热固化;
步骤S4,炉冷后揭下具有微纳周期结构的柔性基底,在柔性基底的微纳周期结构上依次形成金属反射层和吸收层,得到所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜。
9.根据权利要求8所述激光红外兼容的柔性电磁功能薄膜的制备方法,其特征在于,所述基底为硅片;所述硅烷化处理为将具有微结构的基底放置于真空干燥器中30~120min并利用聚三甲基氯硅烷干法沉积形成分子膜;所述混合有固化剂的液态聚甲基硅氧烷为按照10:1~3的质量比混合液态聚甲基硅氧烷与固化剂,混合均匀后真空除泡20~60min后制得;固化条件为60~100℃下真空固化1~3h。
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