[发明专利]一种具有光学减反射和波长转换功能的复合薄膜材料

说明书

技术领域

本发明属于光学、光电子、农业科技、建筑节能、以及太阳能光伏和光热领域，涉及一种复合薄膜材料，具体的说是一种具有光学减反射和波长转换功能的复合薄膜材料。 

背景技术

有效的光学管理材料在很多领域都有重要的应用。在各种光学管理材料中，光学减反膜应用最广。常规的光学减反膜可以是单层结构也可以是多层结构，可以由单一组分的材料组成也可以由具有不同组分的材料叠成多层膜结构。在各类光学镜头的表面，光学减反膜可以有效提高某一波段的光的透过率；而在太阳能光伏和光热应用中，在光伏组件或者光学集热器的玻璃前表面上制备一层光学减反膜则可以有效提高光伏组件的输出功率或者光学集热器的集热效率。 

除了光学减反之外，光学管理还包括光波长的转换和光辐射的管理。光波长转换在光电子领域有重要应用，比如人们利用能够把紫外光转换为可见光的材料覆盖在普通光学传感器的表面，从而实现紫外光探测；在农业科技中，在农用大棚塑料薄膜中加入一种转光剂，可以阻挡对农作物生长有害的波段的光，而有利于农作物生长的光波段则得到增强。在智能化建筑中经常用到滤波和辐射管理，需要对入射的不同波长的太阳光的透射、反射、以及红外辐射进行有效的调控，以使建筑物节能环保。 

实际上，很多应用领域需要一种同时具备光学减反和转光功能的材料，用这类材料覆盖光的入射表面，一方面需要能大大减小光的表面反射，增加光的透射率，同时还需要能把一部分无效或者“低效率”的入射光转换成有用的“高效“光，增大原工作部件的光的利用效率。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提出一种具有光学减反射和波长转换功能的复合薄膜材料，覆盖在透明的基底上，可以同时具备减小入射光的反射和把波长为200-450纳米的入射光转换为波长为400-1000纳米的可见-近红外光的功能。 

本发明解决以上技术问题的技术方案是： 

一种具有光学减反射和波长转换功能的复合薄膜材料，其基质材料为氧化硅SiO_x，其中1≤x≤2，在所述基质材料中均匀散布着的粒径尺寸小于10纳米的纳米硅晶粒，分散在SiO_x基质中的纳米硅晶粒在氧化硅基质中的密度范围为1×10¹⁶个/cm³～1×10²⁰个/cm³。

采用一定化学配位的氧化硅SiO_x，其中1≤x≤2，这种配位的氧化硅实际上是一种富硅氧化硅，其中多余的富硅原子与周围的氧原子形成Si-O键有助于提高材料的发光性能。 

本发明涂敷在玻璃或其它透明基底上，一方面会大大降低基底的光学反射率，同时还能够把波长为200-450纳米的短波光转换为波长为400-1000纳米的波长较长的光。当光线入射到覆盖有这一具有光学减反射和波长转换功能的复合薄膜材料时，由于这一材料的基质为低折射率的氧化硅，所以光学反射率会大大降低，起到光学减反的作用；同时，由于这一薄膜中均匀散布着尺寸小于10纳米的纳米硅晶粒，纳米硅晶粒会吸收入射光中的短波光（波长200-450纳米），并在其激发下发射较长波长的光（波长400-1000纳米），从而实现光波长的转换功能。这种薄膜材料在光学、光电子、农业科技、建筑节能、以及太阳能光伏等领域有重要的应用前景。 

复合薄膜材料沉积到基底上的方法，可以通过一步法直接沉积在基底上，利用一步直接沉积的方法，使用硅烷（SiH₄）和一氧化氮（N₂O）或者氧气作为原料，利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）、低压化学气相沉积（LPCVD）或其它气相沉积方法直接沉积在基底上，基底上形成的薄膜厚度为10～2000纳米。通过调节气体的流量和流量比，以及其它沉积参数，就可以制取包含纳米硅晶粒的氧化硅薄膜材料，薄膜的厚度可以通过沉积时间来控制。一步直接沉积的方法还可以使用固体源（硅或者氧化硅）为原料，利用溅射、电子束蒸发等真空物理的方法直接沉积在基底上。适当的热退火处理有助于使一步法制备的薄膜材料的光学及机械性能得到提高。