[发明专利]微纳米结构光学元件及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种微纳米结构光学元件及其制备方法与应用，该微纳米结构光学元件的特征是在透明刚性基底上形成倒锥形微纳米结构阵列，该微纳米结构光学元件不仅具有宽光谱广角减反射特性，还具有更高的机械强度。该微纳米结构光学元件还可与一层或多层不同光学折射率的材料结合，实现对入射光选择性的宽光谱广角减反射效果。本发明结合三维纳米结构的渐变折射率，倒锥形结构的机械稳定性，以及光学镀膜的光谱调控，可获得选择性的宽光谱广角减反射并具有更高机械强度的光学元件。本发明获得的新型光学元件在照明、显示、热电、光催化、光伏等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及微加工制造技术领域，特别是涉及一种微纳米结构光学元件及其制备方法与应用。

背景技术

增透减反射膜以其优良的光学性能在照明、显示、微透镜、光伏、展柜玻璃等领域都有广泛的应用。常规的增透减反射膜制备方法是在器件表面沉积一层一定厚度的低折射率材料(如二氧化硅、氮化硅和氟化镁等)。这种减反射膜利用干涉消光原理，往往只能抑制较窄波段的反射。如需宽光谱的减反射增透效果，就需沉积不同厚度和材料体系的多层膜，致使工艺复杂，价格昂贵。此外，这种镀膜方法沉积的材料一般与基底材料不同，会存在材料之间的热失配和应力失配，在制备或长时间使用过程中，易出现脱落现象，可靠性较差。

另一种方法是利用飞蛾眼睛的仿生结构，在基材表面构筑三维纳米圆锥阵列，这种结构为材料表面提供了梯度变化的有效折射率，相对镀膜方法，具有宽光谱、广角度的减反射以及更低成本的特点。如专利“宽光谱广角抗反射高分子纳米仿生膜及其制备方法(CN102250377A)”构筑了宽光谱广角抗反射高分子薄膜。虽然此类薄膜具有优异的光学特性，但由于高分子材料机械强度较差，无法满足触摸屏、光伏面板等应用领域。文章“Patterning of light-extraction nanostructures on sapphire substrates usingnanoimprint and ICP etching with different masking materials(Nanotechnology26(2015)085302)”利用纳米压印技术，并先后沉积SiO₂和Cr层，最终以SiO₂为掩膜在蓝宝石上刻蚀出周期性的纳米锥阵列。上述纳米锥被用来作为LED外延生长的衬底，提高出光效率。作者没有表征基底的光学特性，理论上其结构可以抑制光的反射。该方法工艺复杂，且获得的纳米锥相互独立，机械强度虽然相对于聚合物有提高，但仍难满足实际需求。同时在显示和发光领域，还需要抑制蓝紫光透过，减少对人眼的伤害。而传统的三维微纳结构是宽光谱增透减反射，同样会增加蓝紫光的透过。

基于以上所述，提供一种具有高机械强度，能够实现调控特定波长的透射和反射的微纳米结构光学元件及其制备方法实属必要。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微纳米结构光学元件及其制备方法与应用，以实现一种利用微纳加工手段在刚性透明基底上构建的三维纳米倒锥形结构，同传统的纳米锥(蛾眼)结构相比，具有更优异的机械强度和耐候性，该纳米倒锥形结构还可以结合光学镀膜，形成复合结构，实现调控特定波长的透射和反射，在照明、显示、热电、光催化、光伏等领域具有广阔的应用前景。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微纳米结构光学元件，所述微纳米结构光学元件包括：透明刚性基底以及形成于所述透明刚性基底表面的倒锥形微纳米结构阵列，所述倒锥形微纳米结构阵列具有宽光谱广角增透减反射特性以及高机械强度。

作为本发明的微纳米结构光学元件的一种优选方案，所述倒锥形微纳米结构阵列表面还形成有一层或两层以上的不同光学折射率的光学材料层，以实现对入射光选择性的宽光谱广角减反射效果。

作为本发明的微纳米结构光学元件的一种优选方案，所述倒锥形微纳米结构的平面尺寸范围为100nm～10μm。

作为本发明的微纳米结构光学元件的一种优选方案，所述倒锥形微纳米结构阵列包含倒锥形凹槽结构阵列。