[发明专利]一种近完美光吸收体及其普适性的制备方法

说明书

本发明公开了一种近完美光吸收体及其普适性的制备方法。该光吸收体，由聚合物膜和光耗散层组成；所述聚合物膜和光耗散层均具有不贯穿整个膜的锥状结构；构成所述聚合物膜的材料是经重离子辐照后能产生可蚀刻潜径迹的高分子聚合物。该光吸收体在250‑14000nm波长范围具有高效的光吸收，尤其在600‑950nm波长范围内，平均光吸收率可以高达99.97％，可用于光热水处理等诸多领域。

技术领域

本发明涉及一种近完美光吸收体及其普适性的制备方法。

背景技术

光吸收是光通过材料时，与材料发生相互作用，电磁辐射能被转化为其他能量形式的物理过程。自然界中各种块体材料对光的吸收非常有限，而一些具有微纳结构的材料则可实现独特的光吸收性能，使人类对光吸收的操控成为可能。

随着现代科技的飞速发展，人们设计出了各种各样的光吸收体。当光从一种介质传播到另一种介质时，由于两者折射率的不同，部分光被反射，折射率差别越大，反射光比例也越大。为此，人们在铝等衬底上生长出竖直排列的碳纳米管阵列，由于碳管的空心结构和碳管之间的疏松排列，使得整体结构的有效折射率与周围空气介质的折射率非常接近，从而大大降低了菲涅尔反射，足够的吸光厚度使得透射率基本为零，由此得到了宽谱的吸收率接近100％的近完美光吸收体。基于竖排碳纳米管阵列的光吸收体在抑制杂散光领域有非常好的应用潜力，但是其结构非常脆弱，而且有衬底依赖性，沿水平方向的导电性差，难以与光电子功能器件结合。随着电磁超材料概念的提出，一种MIM多层结构的电磁共振体系得到了快速发展。MIM结构一般由三层结构构成：金属微纳结构单元、介电层、金属反射层。顶层的金属纳米结构与底层金属膜之间的电磁共振、金属纳米结构本身的电共振及各种共振模式的耦合，共同实现了对特定频带电磁波的吸收。该结构通过结构参数的调整，可实现微波到可见波段之间特定频带的吸收，因为此结构基于电共振和磁共振模式的耦合，所以吸收频带往往较窄。此外，由于顶层金属纳米结构的非连续性，该结构上表面无法实现良好的导电响应。一些具有锥形或金字塔形表面的金属或半导体材料也具有很好的光吸收特性。对于这类结构，要满足宽谱吸收，锥形结构就要足够长，同时要兼顾亚波长间距的尺寸要求，要得到这种大长径比的锥形结构，对加工技术来说无疑是个巨大挑战(对于可见光波段，要求锥的间距小于400nm)。这种结构的实现往往依托于电子束光刻或聚焦离子束铣削，这大大增加了制备成本，同时很难满足大规模应用。一种基于离子束辐照和化学蚀刻的方法，可以实现大面积制备。日本产业技术综合研究所与量子科学技术研究开发机构合作，制造出一种表面布满锥形腔的光吸收体。该光吸收体在中红外波段(6-15μm)表现出很强的光吸收特性，平均光吸收率达到99.95％。但是该光吸收体采用的CR-39材料对可见光透明，在太阳光谱范围内的吸收极低，这彻底限制了它在太阳能存储、太阳能光热水处理等领域的应用。以该光吸收体为母板复刻出来的包含炭黑的PDMS光吸收体在太阳光谱范围内有很好的吸光表现，但是复刻出的镍光吸收体仅在250-570nm波长范围内具有较好的吸光效果(99.8％)，光吸收频段较窄。(K.Amemiya,H.Koshikawa,M.Imbe,T.Yamaki and HiroshiShitomi.Perfect blackbody sheets from nano-precision microtextured elastomersfor light and thermal radiation management,J.Mater.Chem.C,2019,7,5418-5425.)

综上所述，现有的完美光吸收体制备方法主要针对一种或者有限的几种材料体系，很难满足不同用途对光吸收材料体系多样性的需求。因此，发展一种普适性的完美光吸收体制备方法具有重要的应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种近完美光吸收体及其普适性的制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种近完美光吸收体，由聚合物膜和光耗散层组成；

所述聚合物膜和光耗散层均具有不贯穿整个膜的锥状结构。