高吸收超薄NiCr/介质复合膜系制备与性能研究

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在太阳光谱辐射的总能量中,可见光波段就占49.64%,实现可见光全波段的高吸收不仅可解决日益严重的能源危机问题,也可消除光路系统中的杂散光,大幅度提高仪器的分辨率;同时可见光波段作为人眼唯一能感知和探测的波段,可见光选择性高吸收材料不仅能应用于建筑一体化太阳能集热器、图像传感器和太阳能军事等领域,也可应用于装饰和包装等民事生活领域。因此,实现可见光波段的高吸收是目前的一个研究重点。本文研究了纳米尺度下单层NiCr金属薄膜的光学常数n,k、电学特性、吸收图谱以及微观形貌随膜厚的变化,并基于超薄NiCr/介质复合膜系实现了可见光选择性高吸收和可见光全谱高吸收,得到的主要结果如下:(1)单层NiCr金属薄膜在可见光波段的反射率随着膜厚的增加而逐渐增加,透射率随着膜厚的增加而逐渐减小,吸收率随着膜厚的增加先增加后减小,但吸收率的最高值不超过50%;利用XPS表征手段证实了NiCr金属薄膜的组成成分与靶材的成分一致,且薄膜中Cr元素存在着被氧化的现象;NiCr金属薄膜的电阻率随着薄膜厚度的增加而逐渐减小。(2)提出了可见光选择性吸收结构Al/SiO2/NiCr/Si3N4/NiCr,研究膜系中NiCr和Si3N4的膜厚对其吸收图谱的影响。结果表明:可见光波段的吸收峰随NiCr金属薄膜厚度的增加而逐渐消失;当NiCr金属的膜厚在4.7nm左右时,膜系在可见光波段的最大吸收率接近于完美吸收,且吸收峰随着Si3N4膜厚的增加而逐渐红移,样品的颜色也从深蓝色逐渐变为浅蓝色,同时该种膜系的总体膜厚均不超过200nm。(3)提出了可见光全波段高吸收结构Al/Si3N4/NiCr/SiO2,证实了当膜系结构中每层薄膜为合适的厚度时,Al/Si3N4/NiCr/SiO2在可见光波段可实现高达90%平均吸收率。通过对比Comsol软件的仿真结果与光谱仪所测的数据,得到如下结论:当NiCr金属膜厚在15nm25nm时,该种结构在可见光波段可保持高吸收;可见光波段高吸收的区域随着Si3N4膜厚的增加而逐渐向长波方向移动。同时对样品80nmAl/50nmSi3N4/4.7nmNiCr/85nmSiO2进行热稳定分析,表明经过退火温度为500℃、退火时间为4小时后,复合膜在可见光波段的吸收率衰减仅为3%。
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