[发明专利]金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料

说明书

技术领域

本发明属于发射率随温度改变的钙钛矿型氧化物，特别是一种利用金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料。

背景技术

热致变色材料由于其具有光学特性随着温度的变化而显著改变的特性，在可再生能源技术和未来的航天器热控制等领域有着广阔的应用前景。例如，用热致变色材料制成的智能型辐射装置贴附在航天器的表面可以自动控制从航天器中辐射出去的能量而不需要另外的电辅助设备。所有的热致变色材料中，Sr掺杂的钙钛矿型锰氧化物引起了许多研究者的兴趣。在合适的Sr掺杂范围内，由于双交换作用，钙钛矿型锰氧化物在居里温度附近显示出金属－非金属转变的特性。低于居里温度时显示低发射率的金属性，高于居里温度的时候显示高发射率的非金属性。一种媒质它的非金属性越强它的消光能力就越弱，即电磁波在媒质中衰减越慢。为了保证电磁波被媒质完全吸收，通常的做法是增大这种媒质的厚度，传统的硅基太阳能电池就是如此处理的。在传统的硅基太阳能电池中，硅层的厚度通常达到数百微米。根据基尔霍夫定律，在相同的波长位置媒质的吸收能力等于其辐射能力。因此，为了保证热致变色材料在大于居里温度时能够有更高的发射率就要求有足够的厚度，如果用在航天器上这就增大了航天器的重量负荷。以居里温度为283K的热致变色氧化物La_0.825Sr_0.175MnO₃ (LSMO)为例，295K温度下要确保进入LSMO层中的电磁能在热辐射波段被衰减到入射电磁能的1%，LSMO层的厚度要求大于10μm。例如，文献1（Genchu Tang，The thermochromic properties of La_1-xSr_xMnO₃ compounds，Solar Energy Materials & Solar Cells，2008）利用固相反应法制备了块体热致变色LSMO，文献中讨论了不同Sr组分对热致变色性能的影响，由于要保证能够具备良好的热致变色性能，块体材料的厚度为2mm，因而耗费了大量的热致变色材料。因此，增加电磁波在热致变色氧化物中吸收特性显得至关重要。随着近年来热辐射光谱特性控制技术的发展，通过利用波长或亚波长量级的周期性表面结构研究者发现了许多有趣的现象。例如，文献2（Wei Wang，Broadband light absorption enhancement in thin-film silicon cells，Nano Letters，2010）通过在薄膜硅电池的背面设置Ag光栅，实现了对可见光的增强吸收，可以有效地降低硅电池中所需要的硅材料。由此可见，可以通过将金属光栅结构引入热致变色氧化物的热辐射特性研究中，利用热致变色材料和金属光栅之间的耦合作用，以使得在保证材料具有良好的热致变色性能的前提下能够降低热致变色材料的耗材。

发明内容

本发明的目的在于降低智能型热控器件中热致变色材料耗材，提供一种相比于块体材料用材少且热致变色性能更好的金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种金属光栅结构耦合的热致变色薄膜材料，在热控器件表面沉积金属薄膜，通过光刻的方法将金属薄膜的表面加工成光栅结构，然后将热致变色材料沉积在金属表面上。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）高于居里温度时，由于Fabry-Pérot共振和表面等离子体效应，在本发明的复合结构中电磁波能够被较多地吸收，即这种情况下相比于块体材料，复合机构可以实现更高的发射率；而低于距离了温度时，复合机构的发射率和块体材料的相同。因而，相比于块体材料，本发明的复合结构可以改善热致变色材料的性能。（2）要使热致变色材料能够完全吸收进入其中的电磁波，块体热致变色材料的厚度需要数十微米甚至更厚，而在本发明的复合结构中由于可以实现电磁波的增强吸收，因而热致变色材料的厚度可以大大降低。例如，对于居里温度为283K的热致变色材料LSMO，图1中所示结构的结构参数为：热致变色薄膜的厚度                                               ，Ag薄膜的厚度，矩形光栅的厚度，光栅周期，填充因子，如图2所示，温度从100K升高到295K，和块体材料LSMO相比，引入Ag光栅以后的热致变色薄膜材料LSMO的发射率有了更大的提高，即结构的热致变色性能有所改善。整个结构的厚度仅为1.9μm，相比于数十微米的热致变色块体材料，材料消耗大大降低。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明