[发明专利]中性密度滤光片及其制备方法与应用

说明书

提供一种中性密度滤光片的制备方法，在玻璃基底上直接生长石墨烯薄膜。还提供该方法制备的中性密度滤光片及该滤光片的应用。本发明在玻璃基底上直接生长石墨烯薄膜，因此石墨烯薄膜在玻璃基底表面具有较好的结合力；并且可以通过控制载气比例和生长时间来调控滤光片的透光率。通过本发明方法制备的中性密度滤光片在400‑2500nm范围内对光具有均匀的衰减，对波长小于400nm的紫外光具有较强的吸收。本发明的中性滤光片可用于摄像、太阳镜、弧光防护镜等场景衰减光强的镜片；也可用于光学实验中的衰减片，对光功率进行调节；由于石墨烯薄膜具有导电性和疏水性，因此本发明的中性密度滤光片也可用作导电玻璃、疏水玻璃。

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及利用化学气相沉积法在玻璃基底上制备的石墨烯玻璃中性密度滤光片及其制备方法与应用。

背景技术

石墨烯具有良好的光学性质，单层石墨烯对白光(文献中测量波长范围为400-750nm)透过率均为97.7％(T＝1-πα,Nair,R.R.et al.Fine Structure Constant DefinesVisual Transparency of Graphene.Science 320,1308–1308(2008))，且其透过率可通过层数调控，文献中测量了1–5层石墨烯的透过率，发现石墨烯每增加一层，透过率降低2.3％。此外，有研究表明石墨烯在750–3000nm范围内同样具有均匀的透过率(Ma,X.Zhang,H.Fabrication of graphene films with high transparent conductingcharacteristics.Nanoscale Res.Lett.8,440(2013))。

中性密度滤光片是一种以石英玻璃、K9玻璃、氟化钙玻璃等为基底，以物理或化学方法沉积镍、铬等金属及合金薄膜而得到的无源光学元件，其特点在与可以对工作波段的光进行均匀的衰减，以达到光路中调节光功率、摄影机中防止过渡曝光、保护精密光学探测器的目的，在人眼强光防护、精密设备、科学实验等领域有着广泛的应用。然而这种传统金属薄膜的中性密度滤光片存在很多的问题，如工作波段内透过率变化较大(约40％)、工作波段窄(均匀衰减范围50-100nm)、化学镀膜存在强酸、氰、铬酐等剧毒污染物排放、金属薄膜易被氧化、稳定性差、高真空镀膜成本高等。

基于以上背景，将石墨烯与光学玻璃结合形成的石墨烯玻璃有望成为一种全新的优于现有滤光片的宽波段中性密度滤光片。这种新型中性密度滤光片具有一下优点：宽波段内透过率均匀(400–2500nm)、无毒无害、表面无悬挂键疏水具有自清洁功能、热稳定性和化学稳定性好等。当前有利用磁控溅射法沉积无定形碳薄膜用于中性密度滤光片的报道，这种薄膜虽然同样具备衰减光强的作用，然而该方法还存在很多的问题，如无定形碳薄膜光学性质差、机械强度差易损伤、附着力差易脱落等。磁控溅射法得到的无定型碳薄膜与石墨烯薄膜存在本质的区别，且磁控溅射法无法制备得到高质量的石墨烯薄膜。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于玻璃基底上直接生长的石墨烯的宽波段中性密度滤光片，并提供一种成膜均匀、透过率可控地制备该滤光片的方法。

本发明提供一种中性密度滤光片的制备方法，在玻璃基底一面或双面上直接生长石墨烯薄膜。

根据本发明的一实施方式，所述玻璃基底选自石英玻璃、钠钙硅玻璃、氟化钙玻璃、K7/K9玻璃或氟化镁玻璃。

根据本发明的另一实施方式，通过化学气相沉积形成所述石墨烯薄膜。

根据本发明的另一实施方式，所述化学气相沉积的载气包括氩气、氢气和碳源气体。

根据本发明的另一实施方式，所述碳源气体选自甲烷、乙醇、乙炔中的一种或多种。

根据本发明的另一实施方式，还包括在所述石墨烯薄膜表面形成保护层薄膜步骤。

本发明还提供一种通过上述方法制备的中性密度滤光片。