復(fù)合納米減反射結(jié)構(gòu)的研究

發(fā)布時(shí)間：2020-05-04 13:00

【摘要】：如何利用減反射結(jié)構(gòu)有效地提升光電器件的性能一直是重要的研究課題。近年來,隨著納米光學(xué)的快速發(fā)展,納米結(jié)構(gòu)被廣泛地用于減反射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。其中,SiO_2納米柱陣列因其良好、穩(wěn)定的光學(xué)性能在減反射結(jié)構(gòu)中占有重要地位。利用斜角沉積技術(shù)制備的SiO_2納米柱陣列不僅拓寬了材料的折射率范圍,還提供了豐富的微納形貌。Ag納米顆粒獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)使其被廣泛用于減反射結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。如何調(diào)控Ag納米顆粒的表面等離子激元共振特性,合理利用其產(chǎn)生的強(qiáng)烈光散射及近場(chǎng)增強(qiáng)是目前減反射研究的熱點(diǎn)問題。論文以SiO_2納米柱陣列與Ag納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)為對(duì)象來研究新型納米減反射結(jié)構(gòu)的制備方法和光學(xué)性質(zhì)。復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備分為兩步,先利用電子束斜角沉積的方法在基底上制備SiO_2納米柱陣列,再通過熱蒸鍍的方式在SiO_2納米柱陣列上沉積Ag膜以形成Ag納米顆粒。在SiO_2納米柱陣列的影響下,上層Ag納米顆粒形成具有寬波段表面等離子共振特性的尺寸分布,使得SiO_2納米柱陣列與Ag納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出寬波段的減反射性能。具體工作如下:通過改變斜角沉積過程中的沉積角度,制備了直徑可調(diào)節(jié)的SiO_2納米柱陣列,并從隨沉積角度變化的表面遷移距離和粒子流密度的角度,定性解釋了其形成機(jī)制。依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,對(duì)沉積角度與納米柱傾斜角關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了修正,并提出了一個(gè)納米柱陣列薄膜的質(zhì)量密度與沉積角度關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。在硅基底上制備出了SiO_2納米柱陣列與Ag納米顆粒的復(fù)合結(jié)構(gòu)。測(cè)試結(jié)果顯示,此復(fù)合結(jié)構(gòu)將硅表面的平均反射率在400-1100 nm波段內(nèi)降低到5.75%、在可見光(400 700 nm)波段內(nèi)降低至3.84%,而且此結(jié)構(gòu)在可見光波段的反射率波動(dòng)遠(yuǎn)小于其他結(jié)構(gòu)。其原因在于上層Ag納米顆粒的尺寸取決于分離的SiO_2納米柱的的尺寸,使得小尺寸Ag顆粒的數(shù)量較多。采用時(shí)域有限差分法進(jìn)行的模擬結(jié)果表明,不同尺寸的Ag納米顆粒具有不同的表面等離子激元共振波長(zhǎng),在共振波長(zhǎng)處的反射率明顯低于其他波長(zhǎng),而小尺寸Ag納米顆粒的增加使得這種復(fù)合結(jié)構(gòu)在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的表面等離子激元的共振,從而具有了寬波段的減反射性質(zhì)。在此基礎(chǔ)上,SiO_2納米柱陣列與Ag納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)也被用在了柔性聚酰亞胺基底上。測(cè)試結(jié)果顯示,與其他減反射結(jié)構(gòu)相比,在平面基底和彎曲基底兩種情況下,這種復(fù)合納米結(jié)構(gòu)都具有更好的寬波段減反射性能。隨著入射光角度的增大,平面基底上的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的反射率曲線最低點(diǎn)位置發(fā)生藍(lán)移,這有利于其在彎曲表面反射率的降低。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于在入射光角度較大的情況下,Ag納米顆粒的共振電子可移動(dòng)距離的減小和顆粒間耦合作用的減弱造成電子的振動(dòng)頻率加快。因?yàn)檫@一藍(lán)移現(xiàn)象,處于小曲率半徑彎曲狀態(tài)下SiO_2納米柱陣列與Ag納米顆粒結(jié)構(gòu)的寬波段減反射優(yōu)勢(shì)更加明顯。論文還通過比較計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,證明了彎曲表面的反射率可由平整表面上不同角度入射光的反射率通過加權(quán)求和得到。
【圖文】：

示意圖,減反射,單層膜,相消干涉