[发明专利]一种金属热敏光学薄膜及其工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学特性随温度变化而变化的金属热敏光学薄膜及其制造工艺方法。

背景技术

一般认为，在宏观或微米尺度的微观范围内，金属对光的衰减非常大，表现为所有金属材料均不透明。因此，通常情况下，在光学领域，金属材料多用作反射材料，在光学透射方面，金属材料更是没有明显的实际应用。

金属自由电子经典理论

但是，在1900-1905年，Drude和Lorentz建立的金属自由电子经典理论证明电磁波能够穿入到金属材料内部一定深度。其传输特性公式为：

其中S为电磁波平均能留密度，c为光速，为相对磁导率，为金属电导率，为电磁波频率，为真空中介电常数。

由上式可以得出，以光强衰减30dB为例，可见光在普通金属内穿入的深度在几纳米到100纳米以内，红外光的穿透深度大约在几十纳米到几十微米范围之间，随着穿透深度的增加，光的能留密度（与之对应的是光的强度）将不断减小。

对于红外光或者远红外光，考虑光波透射穿入的深度在微米到10微米量级，同时由欧姆的电阻率经验公式有：

式中为电阻率，为常数，为温度。

上两式联立得：

即电磁波穿透金属的平均能留密度为温度的函数。

金属薄膜的透射率为

 

因此，制成微米级厚度的金属薄膜，选择相应的红外光源波长对其进行透射光测量，该金属薄膜即为热敏光学材料。如图1所示的，温度和透射率具有一个线形的正比关系。

量子理论

另外，在20世纪二三十年代后逐渐建立起来的量子力学理论也表明金属在一定的条件下其光学性质会与非金属电介质类似或者相同，这时金属与非金属的界限将变得模糊，金属将表现出特殊的光学性质。

此时，对于可见光甚至紫外光，由于经上述理论推导的光波穿透金属的深度在100纳米尺度甚至是0.1纳米尺度，在这些厚度数量级的薄膜会表现出明显的量子特性，前述经典理论将不再适用，而必须用量子理论来表述和研究。

根据量子理论，金属薄膜在薄膜厚度方向上的原子数目有限，将表现为金属中电子的能级不在表现为准连续状态而是一定数量的明显分离的能级。Kubo采用电子模型求得的纳米能级间距为：

式中为能级间距即能隙，为费米势能，N为粒子中电子数。

此外总数量为N的电子分布在N个能级上。对于纳米薄膜材料，在薄膜厚度方向上，N远小于原子拥有的能级总数。N个电子在各能级上的分布几率根据温度的不同服从波尔兹曼分布。当温度变化时，各个能级上电子的分布几率也将按照波尔兹曼分布变化。当热扰动不足以使电子克服能隙的阻隔而自由移动时，电子按几率分布被束缚在相应能级上，表现为金属电阻率增大，由导体变成了绝缘体和普通电介质材料。当光入射金属材料时，电子以能隙为基本能量单位进行量子化地吸收光子的能量而可能导致电子克服能隙的阻隔移动跃迁，表现为金属对光的吸收随着温度的升高而周期性波动，表现出吸收损耗周期性变化的热敏效应，如图2所示。

发明方法

本发明的金属热敏光学薄膜（纳米尺度）主要基于量子力学理论基础，将利用金属材料在纳米尺度表现出的光量子特性而制作新型的热敏材料。

本发明的目的是发明一种金属热敏光学薄膜。

本发明的这种金属热敏光学薄膜是由单层纳米金属膜或多层金属、非金属纳米膜组成的膜系；薄膜厚度控制在10纳米量级以上10微米量级以下。

所述的金属热敏光学薄膜的制造工艺是：

采用喷涂法：将金属材料处理成纳米颗粒粉末，粒度在1~500nm；然后利用分散剂溶解形成纳米金属悬浊液，悬浊液浓度安排为分散剂比例0.2%~10%，使得金属颗粒均匀分散后再次添加有机分散剂，使纳米金属悬浊液形成有效的量子相应阻挡层；再将悬浊液喷涂至光学材料的基体表面并使之固化成纳米金属膜。

其中，具体是金属材料处理方法是采用纳米磨（循环砂磨机或球磨机）在氮气或惰性气体防止氧化的环境下研磨金属纳米微粒。

优选的分散剂是以芳香烃、皂化剂或者硅烷。

优选的基体是石英玻璃或硅酸盐玻璃。

优选的方法是：按照所述喷涂法多次喷涂成多层膜系。

在多次喷涂的纳米金属膜之间喷涂其他介质膜，形成具有特殊热敏特性的复合的金属热敏光学薄膜。

优选的其他介质膜为不含纳米金属颗粒的光学透明介质膜，如不含纳米金属颗粒的光学基体材料等。