多层膜半球形复合表面结构的抗反射机理与制备方法研究

An the most ideal omnidirectional antireflection structure should lead to zero reflection loss on substrate surfaces over all incident spectral range for all angles of incidence. The major problem currently facing is how to obtain this kind of structure by the design of structure and the choice of materils and the cost efficient fabrication techniques.In this project, the omnidirectional antireflection structure composed of the self-assembled sub/microspheres and nanomaterials multilayer thin films is introduced. Based on the in-depth study of antireflection mechanism, the model is constructed by the rigorous coupled wave analysis theory, and structure is designed and calculated by matrix method and graphic method, and optimal design of the structure based on simulation is established by Matlab softward. Controllable structure of hemisherical surface texture is fabricated by the convective coating and stirring technology, and the effects of materials and technology on the structure and properties. The optimum process parameters and optimization method of materials are obtained. The studies of antireflection mechanism and preparation method will provide theoretical basis and experimental method for the design and preparation of the omnidirectional antireflection structure.

最理想的全向抗反射结构是使基底表面对来自各个方向全部光谱的光反射为零。当前所面临的难题是如何通过结构设计、材料系统选择和简单高效低成本制备方法获得全向抗反射结构。本课题拟采用亚微/微球自组装结构与纳米材料多层膜结构结合构筑多层膜半球形表面全向抗反射结构。在深入研究该结构抗反射机理的基础上，利用严格耦合波分析理论建立模型，运用图解法和矩阵法进行结构设计和计算推导，运用MATLAB软件进行全向抗反射的仿真模拟和优化设计，提出该结构优化设计方法；采用对流自组装和旋涂技术制备结构可控的多层膜半球形表面抗反射结构，揭示材料和工艺等因素对构筑该结构和抗反射性能的影响等，获得制备该结构的最佳工艺参数和材料的优选方法。项目将从抗反射机理和制备方法研究两个方面为设计和制备全向抗反射微结构提供理论支持和实验依据。

近年来，具有表面微结构的材料系统与电磁波的相互作用问题引起了许多研究者的兴趣。其中一个重要的研究领域是通过表面微结构实现对光学波段电磁波的抗反射。理想的全向抗反射结构具有使基体表面的太阳光反射接近于零并能吸收来自各个角度的全部太阳光光谱的特点。当前所面临的一个主要问题是如何通过结构设计和材料系统选择及简单高效低成本制备技术获得理想的全向抗反射结构。本课题主要研究内容是设计和制备电介质微球单层自组装结构与折射率递变的纳米多层膜复合构筑类半球形表面织构，通过理论和实验研究探讨该结构的抗反射性能与结构、工艺等间的关系。分析了该结构的抗反射机理，考虑微球尺寸、堆积密度、基底材料、涂层材料、涂层厚度和层数等参数设计半球形抗反射结构，并采用严格耦合波理论进行分析模拟。选择纳米二氧化硅溶胶、纳米二氧化钛溶胶和SOG溶胶作为涂覆材料，研究纳米二氧化硅和纳米二氧化钛多层膜的抗反射性能。选择二氧化硅微球为电介质微球材料，采用对流自组装法制备了单层二氧化硅微球自组装结构，研究了各实验参数对自组装结构的影响，确定制备大面积自组装结构的实验条件。进一步采用旋涂工艺在微球自组装表面制作涂覆层，研究涂覆层材料、结构对半球形表面织构结构和光学性能影响。通过理论和实验研究，我们发展了在高角度条件下在宽谱带范围内具有良好抗反射作用的表面织构的设计和制备方法。该结构的研究不仅对于提高太阳能电池的光电转化效率、光学传感器和光学系统的灵敏度和降低成本具有重要意义，而且对新型光功能材料系统的设计和开发产生重要影响，同时，相关的研究对揭示光波与纳/微米结构材料系统相互作用具有重要的科学意义。依托本课题，我们发表学术论文16篇，申请专利1项，培养研究生3名，项目承担人员和研究生参加国内学术会议4人次。