[發明專利]一種中長波紅外寬光譜光吸收材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010631350.3
• 申請日: 2020-07-01
• 公開（公告）號: CN111880247B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發明（設計）人: 阮翔宇;管志強;徐紅星
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B5/00;B82Y30/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 石超群

本發明屬于無機功能材料制備領域，特別涉及一種中長波紅外寬光譜光吸收材料及其制備方法，中長波紅外寬光譜光吸收材料，由氧化鋁孔洞結構、硅孔洞結構、硅納米空隙結構和硅襯底依次堆疊組成，所述硅納米孔隙結構分布于硅孔洞結構和硅襯底中。本發明的中長波紅外寬光譜光吸收材料由四層材料依次堆疊而成，形成折射率梯度漸變材料，依靠摻雜濃度可調的硅材料在中長波紅外波段的自由載流子吸收來實現中遠紅外波段的耐高溫寬光譜光吸收。本發明的中長波紅外寬光譜光吸收材料吸收波長范圍大且吸收效率高，吸收層厚度薄，非偏振依賴，入射角度范圍大，耐高溫。

技術領域

本發明屬于無機功能材料制備領域，特別涉及一種中長波紅外寬光譜光吸收材料及其制備方法。

背景技術

中長波紅外波段的寬光譜光吸收材料可用于紅外模擬光源、紅外隱身、紅外光熱探測、紅外增強光譜、廢熱利用等方向，因而受到研究的重視。其中，寬光譜、非偏振依賴和大入射角度是重要的性能指標，此外，具有耐高溫的寬光譜吸收材料在航空航天、寬光譜紅外熱光源方面有重要價值。

寬光譜吸收材料在結構設計上遵循兩條思路。一是增強材料的吸收特性，主要通過利用微納結構的光學共振模式激發，來實現光在材料中的強吸收，典型代表包括金屬納米結構的表面等離激元共振，介質納米結構的光學微腔模式和金屬-介質-金屬的諧振腔模式等，通過多個頻段光學模式共振的疊加來實現寬光譜吸收。二是設計陷光結構，即通過梯度漸變的折射率設計，減少光在入射過程中的阻抗不匹配，來降低反射，通過襯底結構的弱光吸收系數來逐步吸收入射光能量，廣泛采用的如碳管、硅錐等結構。思路一的問題在于多頻段共振模式的疊加很難實現超寬波段的光吸收，受等離激元共振波長所限，吸收波長很難調到中遠紅外波段，且含金屬納米結構的光吸收材料不能耐受高溫，高功率光照射等條件。思路二受到材料光吸收效率低的限制，需要很厚的吸光材料層才能達到滿意的寬光譜吸光效果，典型的厚度在50 微米到幾百微米之間。此外，中遠紅外寬光譜光吸收材料的大面積低成本制備也是可實用化的關鍵。

因此，一種低成本、大面積、耐高溫、吸收高、吸收層厚度薄的中長波紅外寬光譜吸收結構的制備工藝是實現中遠紅外光熱利用的關鍵工藝。

發明內容

本發明的目的之一在于提供一種中長波紅外寬光譜光吸收材料，具有折射率梯度漸變，依靠摻雜濃度可調的硅材料在中長波紅外波段的自由載流子吸收來實現中遠紅外波段的耐高溫寬光譜光吸收。

本發明的目的之二在于提供一種中長波紅外寬光譜光吸收材料的制備方法，制備方法簡單，成本低，可實現大面積制備。

本發明實現目的之一所采用的方案是：一種中長波紅外寬光譜光吸收材料，由氧化鋁孔洞結構、硅孔洞結構、硅納米空隙結構和硅襯底依次堆疊組成，所述硅納米空隙結構分布于硅孔洞結構和硅襯底中。

優選地，所述氧化鋁孔洞結構的厚度為50nm-10μm，周期為100nm-20μm，孔壁寬度為10nm-500nm。

優選地，所述硅孔洞結構的厚度為50nm-10μm，周期為100nm-20μm，孔壁寬度為10nm-500nm。

優選地，所述硅納米空隙結構的厚度為10nm-10μm，納米空隙的寬度為1nm-100nm。

本發明實現目的之二所采用的方案是：一種所述的中長波紅外寬光譜光吸收材料的制備方法，包括以下步驟：

a. 通過陽極氧化方法制備氧化鋁孔洞結構，然后對底部鋁和氧化鋁層進行腐蝕去除，得到氧化鋁孔洞的通孔結構；

b. 將上述氧化鋁孔洞結構附著在硅襯底上，以氧化鋁孔洞結構為刻蝕掩模刻蝕硅，在硅襯底上制作孔洞結構，得到硅孔洞結構；

c. 將步驟b得到的結構進行電化學腐蝕，得到硅納米空隙結構，洗凈、干燥后得所述的中長波紅外寬光譜光吸收材料。