Светопоглощающее многослойное покрытие

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Светопоглощающее многослойное покрытие, содержащее оптически связанные поочередно расположенные дисперсные металлические слои, выполненные из плотноупакованных металлических частиц со средним размером последних от 2 до 50 нм, и диэлектрические слои, причем нижний дисперсный металлический слой расположен на основании, отличающееся тем, что содержит дополнительный верхний слой, выполненный диэлектрическим и на поверхности которого выполнены дисперсионные элементы,расположенные по двум взаимно перпендикулярным направлениям соответственно с минимальными пространственными периодами 1 и 2 в соответствии с выражениями 15113 1 2011.12.30 где 1 и 2 - длины волн из спектра электромагнитного излучения, падающего на светопоглощающее многослойное покрытие- показатель преломления дополнительного верхнего слоя,при этом толщина каждого последующего дисперсного металлического слоя в направлении к основанию выполнена увеличивающейся по линейному закону, а суммарная оптическая толщина каждой пары из диэлектрического слоя и прилегающего к нему сверху дисперсного металлического слоя равна 0/4, где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения дисперсного металлического слоя соответствующей пары, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. 2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что дисперсионные элементы выполнены в виде пирамид, соединенных основаниями. Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в солнечных коллекторах, а также в приборах тепловизионной техники. Известно устройство 1, содержащее слой поглощающего материала, размещенный на основании в виде отражающей поверхности пилообразного профиля, представляющего собой последовательность прямоугольных неравнобедренных треугольников, в которых угол между большим катетом и высотой составляет 75-85 градусов, причем пространственный период Т пилообразного профиля выбирается из интервала значений/1/2)/2,где- длина волны падающего излучения- относительная диэлектрическая проницаемость слоя поглощающего материала- относительная магнитная проницаемость слоя поглощающего материала. Данное устройство не обеспечивает уменьшение коэффициента отражения, особенно для зеркально отраженной волны. Также неэффективно подавляются длины волн, не удовлетворяющие условию (1). Наиболее близким по технической сущности является светопоглощающее покрытие 2,которое включает дисперсные металлические слои, состоящие из металлических плотноупакованных монослоев частиц со средним размером 2-50 нм, диэлектрические слои,которые расположены поочередно с дисперсными металлическими слоями, причем диэлектрические слои выполнены с оптической толщиной 0/4, где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения монослоя металлических частиц,для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. Устройство не обеспечивает эффективного поглощения электромагнитных волн во всем спектральном диапазоне видимого излучения. Техническая задача - расширение диапазона поглощаемых длин волн электромагнитного излучения при одновременном уменьшении коэффициента отражения во всем спектре солнечного излучения. Поставленная техническая задача решается тем, что светопоглощающее многослойное покрытие, содержащее оптически связанные поочередно расположенные дисперсные металлические слои, выполненные из плотноупакованных металлических частиц со средним размером от 2 до 50 нм, и диэлектрические слои, причем нижний дисперсный металлический слой расположен на основании, содержит дополнительный верхний слой, выполненный диэлектрическим и на поверхности которого выполнены дисперсионные элементы,расположенные по двум взаимно перпендикулярным направлениям соответственно с минимальными пространственными периодами соответственно 1 и 2 в соответствии с выражениями 1 1,(2) где 1 и 2 - длины волн из спектра электромагнитного излучения, падающего на светопоглощающее многослойное покрытие- показатель преломления верхнего диэлектрического слоя,при этом толщина каждого последующего дисперсного металлического слоя в направлении к основанию выполнена увеличивающейся по линейному закону, а суммарная оптическая толщина каждой пары из диэлектрического слоя и прилегающего к нему сверху дисперсного металлического слоя равна 0/4, где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения дисперсного металлического слоя соответствующей пары, для которой коэффициент поглощения дисперсного металлического слоя превышает коэффициент поглощения массивного металла. Для эффективного решения поставленной технической задачи дисперсионные элементы выполнены в виде набора пирамид, соединенных основаниями. Совокупность указанных признаков позволяет расширить спектр эффективно поглощаемого электромагнитного излучения при одновременном уменьшении коэффициента отражения в указанном диапазоне за счет линейного изменения толщины дисперсных металлических слоев и снижения скачка изменения эффективного показателя преломления на границе воздух - светопоглощающее многослойное покрытие. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - вид светопоглощающего многослойного покрытия сверху и фиг. 2, на которой показан его разрез, где 1 - дисперсионные элементы 2 - дисперсные металлические слои 3 - диэлектрические слои 4 - верхний дополнительный диэлектрический слой 5 - основание. В светопоглощающем многослойном покрытии оптически последовательно связаны дисперсионные элементы 1, выполненные на поверхности верхнего дополнительного диэлектрического слоя 4, и периодически поочередно расположенные дисперсные металлические слои 2 с толщиной, изменяющейся по линейному закону, диэлектрические слои 3,оптическая толщина каждого из которых вместе с соответствующим дисперсным металлическим слоем 2 равна 0/4, где 0 - длина волны максимума полосы поверхностного плазмонного поглощения соответствующего верхнего дисперсного металлического слоя 2,коэффициент поглощения которого превышает коэффициент поглощения массивного металла. Последний - нижний - дисперсный металлический слой 2 расположен на основании 5. В конкретном исполнении дисперсионные элементы 1 выполнены методом фотолитографического плазмохимического травления в верхнем дополнительном диэлектрическом слое 4 окиси хрома. Дисперсные металлические слои 2 получены методом высокочастотного распыления с содержанием хрома, равным 29 об. . Диэлектрические слои 3 окиси хрома выполнены также методом высокочастотного распыления при технологических параметрах, приводящих к 100 окислению хрома. Верхний дополнительный диэлектрический слой 4 выполнен методом высокочастотного распыления окиси хрома аналогично остальным диэлектрическим слоям 3, а дисперсионные элементы 1 - частичным травлением его поверхности. Основание 5 представляет собой пластину хрома или хромированную сталь. Устройство работает следующим образом. Весь спектр солнечного излучения поступает на поверхность дисперсионных элементов 1 и взаимодействует с их двухмерной периодической структурой. При этом электромагнитное излучение с длинами волн в окрестности 1 распространяется по первому направлениювдоль поверхности верхнего дополнительного диэлектрического слоя 4, проникая внутрь его, и попадает, как минимум, на один дисперсный металлический слой 2, распространяясь вдоль которого, поглощается его металлическими частицами, в том числе и за счет плазмонного эффекта (фиг. 1). Аналогично 2 15113 1 2011.12.30 излучение с длинами волн в окрестности 2 распространяется по второму направлениювдоль поверхности верхнего диэлектрического слоя 4, проникая внутрь его, и эффективно поглощается металлическими частицами указанного слоя. Первоеи второенаправления ортогональны друг другу и параллельны линиям пересечения дисперсионных элементов 1, выполненных в виде пирамид (фиг. 1, 2). Оставшееся электромагнитное излучение с длинами волн, отличающимися от 1 и 2, распространяется внутрь верхнего дополнительного диэлектрического слоя 4 и проходит вглубь светопоглощающего покрытия в основном перпендикулярно поверхностям дисперсных металлических слоев 2, поглощаясь ими, в том числе и за счет плазмонного эффекта. Так как оптические толщины указанных дисперсных металлических слоев 2 вместе с соседними соответствующими диэлектрическими слоями 3 равны 0/4, то части электромагнитного излучения с длинами волн в окрестности 0, отражаясь от них, интерферируют в противофазе, подавляя друг друга. В результате электромагнитное излучение на длине волны в окрестности 0 практически не отражается. А отражение от верхнего дополнительного диэлектрического слоя 4 в оставшемся спектральном диапазоне солнечного излучения также отсутствует, так как дисперсионные элементы 1, выполненные в виде пирамидальной структуры, существенно уменьшают изменение скачка эффективного показателя преломления на границе раздела воздух - светопоглощающее многослойное покрытие. Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить коэффициент отражения электромагнитных волн во всем спектральном диапазоне солнечного излучения за счет дисперсии света, как минимум, по двум взаимно перпендикулярным направлениям вдоль поверхности светопоглощающего многослойного покрытия (фиг. 1) и линейного изменения толщин дисперсных металлических слоев. Применение такого светопоглощающего многослойного покрытия, например, в преобразователях солнечной энергии в электричество, тепловизионных приборах и т.д. позволяет увеличить их коэффициент полезного действия. Источники информации 1. Патент России 2124788. 2. Патент России 2370797 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4