Светопоглощающее многослойное покрытие

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Замковец Анатолий Дмитриевич Качан Светлана Михайловна Понявина Алина Николаевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(56)6335142 1, 2002.614050, 1978.57195207 , 1982.4822718, 1989. ЗАМКОВЕЦ А.Д. и др. Оптический журнал. - 2004. - Т. 71. -4. - С. 52-55. ЗАМКОВЕЦ А.Д. и др. Фундаментальные проблемы оптики Сб. трудов конференции. - Санкт-Петербург, 14-17 октября 2002. - С. 97-98.(57) Светопоглощающее многослойное покрытие, содержащее диэлектрическую подложку, дисперсные металлические слои и диэлектрические слои, отличающееся тем, что дисперсные металлические слои и диэлектрические слои расположены поочередно, при этом каждый дисперсный металлический слой выполнен в виде плотноупакованного монослоя металлических частиц со средним размером частицср , равным 2-50 нм, и параметром перекрытия, равным 0,2-0,7, а каждый диэлектрический слой выполнен с оптической толщиной 0 , где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного по 4 глощения монослоя металлических частиц, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. 12594 1 2009.10.30 Изобретение относится к оптическим покрытиям, характеризующимся высоким уровнем поглощения электромагнитного излучения УФ, видимого или ближнего ИК диапазона и низким коэффициентом отражения в области поглощения, а также высокой спектральной селективностью, и может быть использовано в лазерно-оптических системах для мониторинга и диагностики, в приборостроении и в электронной технике, при изготовлении приемников излучения, преобразователей солнечной энергии, устройств оптической обработки информации и т.д. Известно устройство, поглощающее излучение видимого диапазона, представляющее собой композит, состоящий из слоя диэлектрического материала (например, ), в котором содержатся наночастицы металла (например, ), поглощающие излучение видимого диапазона 1. Покрытие получают термическим испарением на подложку в вакууме механической смеси. Известное устройство характеризуется высоким уровнем поглощения видимого излучения, однако его недостатком является спектральная неселективность поглощения, а также наличие в видимом диапазоне значительного зеркального отражения на границе покрытие-воздух (порядка 4-10 ). Ближайшим техническим решением (прототипом) является многослойное металлдиэлектрическое покрытие, содержащее, по крайней мере, один дисперсный металлический слой (или несколько слоев), выполненных из наночастиц 2. Для усиления поглощения в состав данного покрытия вводят также толстый сплошной слой металла или используют металлическую подложку. Входящие в состав данного покрытия диэлектрические слои, разделяющие дисперсный и сплошной слои металла, а также слой диэлектрика,граничащий с воздухом, предназначены для уменьшения отражения от многослойной системы. Ослабление излучения в прототипе происходит в металлических слоях (дисперсном и сплошном), причем величина коэффициента поглощения дисперсного металлического слоя для всей спектральной области ослабления излучения меньше величины коэффициента поглощения массивного металла. Под массивным металлом подразумеваются сплошные(недисперсные) слои металла толщиной более 1 мкм. В известном покрытии достигается достаточно низкое остаточное отражение (порядка 1-2 ). Недостатком прототипа является его спектральная неселективность, поскольку для толстого слоя металла ослабление излучения происходит в широком диапазоне длин волн, включая видимую и ближнюю ИК области спектра. Задачей изобретения является повышение спектральной селективности светопоглощающего покрытия при сохранении высоких значений коэффициента поглощения и низкой величине остаточного отражения. Задача решается за счет того, что в предлагаемом покрытии, включающем диэлектрическую подложку, дисперсные металлические слои и диэлектрические слои, дисперсные металлические слои и диэлектрические слои расположены поочередно, при этом каждый дисперсный металлический слой выполнен в виде плотноупакованного монослоя металлических частиц со средним размером , равным 2-50 нм, и параметром перекрытия ,равным 0,2-0,7, а каждый диэлектрический слой выполнен с оптической толщиной /4, где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазменного поглощения монослоя металлических частиц, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. В предлагаемом устройстве поочередное расположение дисперсных слоев из металлических частиц и диэлектрических слоев, оптические толщины которых являются четвертьволновыми относительно длины волны 0, соответствующей максимуму полосы поверхностного плазмонного поглощения дисперсных металлических слоев, обеспечивает деструктивную многолучевую интерференцию в многослойном селективно-поглощающем покрытии, за счет чего вблизи этой длины волны одновременно достигаются увеличение поглощения и минимизация отражения падающего электромагнитного излучения. 2 12594 1 2009.10.30 Значение резонансной длины волны 0, а также значения коэффициентов пропускания и отражения дисперсных металлических слоев на этой длине волны зависят от материала металлических наночастиц, их среднего размера ср и от значений параметра перекрытия ,характеризующего долю площади монослоя, занятую металлическими наночастицами. Изменение среднего размера частиц в диапазоне 2-50 нм, а их параметра перекрытия в пределах 0,2-0,7 позволяет наиболее эффективно осуществлять деструктивную многолучевую интерференцию в многослойной системе. Выполнение дисперсных металлических слоев с малым отклонением размера частиц от среднего размераспособствует сужению полосы поверхностного плазмонного поглощения. Одинаковый средний размер металлических частиц ср, во всех дисперсных металлических слоях и одинаковые толщины всех диэлектрических слоев обеспечивают высокую спектральную селективность многослойного покрытия. В качестве металлических материалов светопоглощающего покрытия могут быть использованы такие металлы, как , , , , для которых полосы плазменного поверхностного резонанса дисперсных слоев расположены в оптическом спектральном диапазоне. Величина коэффициента поглощения дисперсных металлических слоев на длине волны 0 и в прилегающей к 0 области максимального ослабления оптического излучения превышает коэффициент поглощения соответствующего массивного металла. В качестве диэлектрических материалов могут быть использованы материалы, прозрачные в области проявления поверхностных плазмонных резонансов дисперсных металлических слоев, - фториды, окислы, галогениды щелочных металлов. Схема предлагаемого светопоглощающего покрытия представлена на фиг. 1. Светопоглощающее покрытие включает в себя дисперсные металлические слои 1, сплошные диэлектрические слои с оптической толщиной 0/4 2, диэлектрическую подложку 3. На фиг. 2 представлены спектральные зависимости коэффициентов пропускания, отражения и поглощения светопоглощающего покрытия, состоящего из 7-ми плотноупакованных слоев наночастиц , разделенных слоями КС 1. Покрытие получено методом последовательного термического осажденияи КС 1 на стеклянную подложку. Средний размер наночастицв монослое составляет 4 нм, параметр перекрытия 0,4. Величина показателя преломления для КС 1 в видимом диапазоне составляет 1,5. Геометрическая толщина каждого из слоев КС 1 равна 73 нм. Данные слои являются четвертьволновыми для 0440 нм, на которой формируется максимум полосы поверхностного плазмонного поглощения для монослоев наночастиц серебра с указанными параметрами. Из фиг. 2 видно,что в окрестности длины волны 0 достигается максимум поглощения (минимум пропускания) данного устройства. Величина отражающей способности покрытия в данной области спектра не превышает 1,5 . Полуширина полосы поглощения составляет 180 нм. Спектральные области, прилегающие к полосе поглощения как с длинноволновой, так и с коротковолновой сторон, характеризуются высоким уровнем пропускания излучения (коэффициент пропускания 60 ). Таким образом, фиг. 2 демонстрирует высокую поглощательную способность (95,5 на резонансной длине волны 0) и одновременно высокую спектральную селективность предлагаемого покрытия - полоса поглощения сужена более чем в 2 раза по сравнению с прототипом. Изменяя конструктивные параметры покрытия, можно управлять спектральным положением 0 и формировать полосу поглощения в разных областях УФ, видимого и ближнего ИК диапазонов. 12594 1 2009.10.30 Источники информации 1. Индутный И.З., Шепелявый П.Е., Михайловская Е.В., Парк Ч.В., Ли Дж.Б., До Я.Р. Градиентные светопоглощающие покрытия - для дисплейных экранов // Техническая физика. - 2002. - Т. 72. - Вып. 6. - С. 67-72. 2. Патент США 6335142, 2002. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4