[发明专利]一种宽波段光透明的连续金属膜结构及其实现方法

说明书

技术领域

 本发明涉及光学、材料和能源等多个领域，具体涉及一种金属-介质材料的宽波段光透明的宽波段光透明的连续金属膜结构及其实现方法。

背景技术

  宽波段光透明（Broadband optical transparency）的连续金属膜（Continuous metal film）结构是实现高效太阳能光谱吸收与宽频带光电探测与显示的一个必备元件。透明的金属膜层因为同时具备完美的高电导电学特性和宽波段的光透明特性可以在新兴透明电极以及触摸显示等领域获得非常重要的应用。而实现原本金属膜层不透光想宽波段光透明的转变，依赖的是表面等离激元共振和耦合以及介质光学微腔提供的共振模式对光场或电磁波产生的耦合和局域效应。

  表面等离激元的概念是金属自由电子在外加光波照射下引起的集体振荡，导致电磁场局域在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元（Surface plasmons）。在光波场激发下的表面等离激元共振（Surface plasmon resonance, SPR）会呈现与结构特性匹配的光谱响应，因而，通过设计特定结构参数的金属体系可以实现在不同频段的光谱响应。此外，与单一金属结构包括金属颗粒的光谱响应不同的是，对于紧密排列的金属颗粒阵列而言，相邻颗粒之间会产生很强的近场等离激元耦合效应（Plasmonic near-field coupling effect），这种效应可以形成宽波段的超强的光场或电磁波场的局域和耦合吸收，因而可以在光谱上获得宽波段的光吸收特性。

  光学微腔包括不同几何形状的腔体结构，比如球体、波导结构以及其他谐振腔（Fabry-Perot, FP）。这些微腔也可以提供很强的光学共振模式。例如，平整的介质膜层即可以构成为一个简单的FP腔，在与此腔结构匹配的频段就可以产生很强的光场或电磁波场的耦合与局域，这在光的传输以及其他光电子器件包括激光器的谐振腔等都具有非常重要的应用价值。

  连续金属膜层基于其内在的完美电导特性（高电导、低电阻）在传统电子器件包括电能输送上获得了广泛的应用，业已成为现今社会不可分离的一部分。然而，在光学上，连续金属膜层结构与生俱来的不透光特性极大地限制了它在新兴光电功能器件领域的发展。例外的也是用的普遍的地方则是用金属膜层作为镜子。当前国内外研究对于同时获得高电导和高光透明的金属结构一直是热点关注，这主要是基于现今社会对于发展高效的能源、光电器件的产业需求。例如，对于太阳能产业，其中必须的一个元件就是透明电极。而如何获取近乎完美的高电导高透明的金属结构则是当前诸多光电领域的一个核心问题。

  为了获得高电导高光透明的金属材料，国内外研究机构发展了多种方法，但往往都有其不可避免的局限。例如，传统的基于表面等离激元共振效应的打孔的金属膜层结构，虽然相对于原来不透明的金属膜层，透射光的强度有了一定的增强，但光谱上则局限于单一的波长。这是由于此类体系是基于窄带的表面等离激元极化模式的激发及其与光场的耦合输入与输出。近期，通过把金属膜层构建为蜂窝状的空气孔阵列结构，其中空气孔在金属膜层结构中的占空比达到80%以上也可以实现宽波段高光透射效果。但是，这样获得光透明是建立于大幅度削弱原本金属膜层导电特性的基础上的。此外，通过基于等离激元诱导的金属透明（Plasmon-induced transparency）也获得了广泛关注。然而，此类体系，由于结构本身的不同金属模块之间的耦合需求，因而导致金属结构是离散而非平整连续的。因此，在电学特性上无疑导致了低的导电特性。近些年，通过利用金属纳米线或其他导电材料来构建金属-聚合物复合膜层来获取透明电极或透明金属材料的报道也很多。但是，在寻求宽波段光高透射性能时，该结构体系也存在一些亟需解决的难题，如材料膜层的平整度和稳定性，纳米线、管等的随机分布以及材料制备的可重复性等问题。例如，有理论和实验研究表明，基于金属纳米线网格透明电极材料模拟有机发光二极管在较低工作电压下的充电传输实验时，发现在网格交叉支点以及其他电流传输端口会产生很强的焦耳热，导致电极在充电工作很短时间后即失效的严重问题。综述所述，当前的研究体系都难以同时获得高的电导和高光透明特性，而往往是以牺牲金属膜层的电学特性来增强它的光学透明响应。

因此，设计并实现具有宽波段光透明且易于实验制备的连续金属膜层结构对于解决现有研究报道体系所面临的难题将具有非常重要的现实意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种具有宽波段光透明的连续金属膜结构体系的实现方法。