紫外-可见-近红外全波段抗反射三维微纳结构的构筑

To fabricate subwavelength structures on material surfaces is one of the most efficient approaches for enhancing the utilizaiton of incident light by suppressing the reflection on surfaces. However, it is difficult to suppress the reflection significantly in the waveband of UV-VIS-NIR by 2D microstructures. In this project, 3D micro-nano structures will be fabricated on mono-crystal silicon to suppress the reflection in the waveband of UV-VIS-NIR. Firstly,ordered microscale silicon pyramids will be created on silicon surface by wet etching with the polymer masks, which are patterned with photolithography or nanoimprint lithography. And then the 3D micro-nano structures will be obtained by growing ZnO nanostructures on the surfaces of silicon pyramids with hydrothermal synthesis. The relationship between the surface features of the structures and the antireflective waveband will be investigated and illustrated based on the combination of experiments and theoretical simulation. This study will lay the theoretical and experimental foundations for designing and the fabrication of antireflective structures for the waveband of UV-VIS-NIR.

在材料表面构筑亚波长微结构是降低界面光反射从而提高入射光利用率的一个有效途径。然而利用通常的二维微结构难以实现全波段（紫外-可见-近红外）抗反射。本项目拟通过在单晶硅表面制备三维微纳结构，实现由紫外至近红外区域的全波段抗反射。首先基于光刻和纳米压印的方法，利用湿法刻蚀在单晶硅表面制备微米尺度的有序结构；然后通过水热合成方法在微米有序结构表面生长ZnO纳米结构，从而得到三维微纳结构；再结合实验与理论模拟，研究并揭示三维微纳结构尺寸、周期等结构特征与其抗反射波段之间的关系，从而为具有全波段抗反射性能的三维微纳结构的设计和制备奠定理论和实验基础。

降低材料表面的光反射对于提高光学系统及光电器件的性能具有非常重要的意义。在本项目中，我们利用金属催化刻蚀方法制备了具有超低反射率的硅柱结构，此结构可将硅表面波长为250-1050 nm范围内的平均反射率从45%减小到0.1%，并且当入射角从0度增加到70度时，其反射率仍低于1.2%。结合理论模拟，我们研究了硅柱结构参数对反射率的影响，为通过调控结构参数调控结构表面的减反射性能奠定了基础。在此基础上，我们结合单晶硅在碱性溶液中的各向异性刻蚀特性和水热合成方法构筑出ZnO/Si仿生减反射结构，将单晶硅的反射率降至4%以下。由于ZnO和单晶硅在界面处形成了纳米异质结，使所构筑的结构不仅能够有效地降低反射，而且能够促进光生电荷的分离，有助于提高光电转化效率。因此，这种异质减反射结构可以成为一种好的光电极材料。同时，我们还发展了一种基于纳米压印技术在聚合物表面制备类似蛾子复眼结构的新方法。所制备的微纳复合结构的减反射性能优于其相应的二维微米及纳米结构，其反射率在波长400-2400 nm范围内低于5.7%。这种方法为制备复合仿生减反射结构的提供了新的途径，可能在光电器件领域有着广泛的应用前景。