CN114242561A

CN114242561A - 一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器及其制备方法

Info

Publication number: CN114242561A
Application number: CN202111493941.XA
Authority: CN
Inventors: 刘锋; 李晓温; 文政绩; 郝加明; 许昊; 石溪
Original assignee: Shanghai Normal University
Current assignee: Shanghai Normal University
Priority date: 2021-12-08
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2022-03-25

Abstract

本发明公开一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器及其制备方法，该辐射器由多层膜结构组成，包括衬底、金属层、介质a、介质b，介质层厚度由遗传算法优化得出，每层厚度为100‑600nm，膜系的制备方法可以采用磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、热蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积等其中的一种或者多种组合。这种红外辐射器具有高辐射率，峰值辐射率接近100％的优势，并且结构简单，易于大面积制备、波长可调控，可制备在柔性衬底上，能耐1000K高温等一系列优点，在红外光源、化学分子特征峰探测、红外成像、光电特征标识和新型红外光谱仪上有良好的应用前景。

Description

一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器及其制备方法

技术领域

本发明涉及功能材料领域，具体涉及一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器及其制备方法。

背景技术

自托马斯·阿尔瓦·爱迪生改进灯泡以来，白炽灯泡已成为主要光源之一，在人类生活中发挥着不可或缺的作用。光源一般通过将白炽灯材料加热到高温来产生光，它被称为热源，通常具有宽带发射光谱和准各向同性发射行为。然而，具有窄带发射峰和高定向的热辐射器在各种应用中具有重要的意义，例如高效红外传感、健康检测、热光伏等。在新型冠状病毒疫情中红外热辐射成像技术发挥着广泛且巨大的作用。对于给定传感应用，只需要带宽小于50cm^-1的小部分光谱，因为大多数常见分子具有独特的且非常窄的红外响应，这与它们自身的分子振动相关。传统红外光源，构成光谱仪时需借助分光系统，但红外波段的分光系统效率很低，需要占有很大空间，无法满足系统小型化趋势要求。然而对于微电子机械系统(MEMS)红外窄带辐射源、量子级联红外激光器、红外发光二极管等光源能够做到小型化集成化但又存在不能大面积制备成本高等问题。对于光子晶体类型的热辐射红外光源克服了不能大面积制备成本高的问题，但此类结构一般层数较多厚度较厚，普遍存在不能耐高温的缺点。因此，研制成本低廉、性能优良、波长可调节并且耐高温的微型红外热辐射器，成为了红外应用领域的研究热点。

专利CN106768352A公开了一种红外窄带辐射源及其制备方法，该辐射源由多层膜结构组成，包括金属层、介质腔层和介质布拉格反射镜，介质腔层厚度和介质布拉格反射镜的厚度可以调节红外窄带辐射源的辐射中心波长，膜系的制备方法可以采用磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、热蒸发、脉冲激光沉积、原子层沉积等其中的一种或者多种组合，然而该专利公开的红外窄带辐射源存在以下缺陷：(1)金属衬底采用金、银、铜、铝、钨、钽、铼金属材料，这些材料黏附性差，易脱膜，此外金、银等材料不耐高温；(2)介质层材料选用锗、硅、硫化锌或一氧化硅等材料，锗与硫化锌不耐高温，并且随着温度的增加折射率改变较大，导致随着温度的升高辐射峰会发生偏移；(3)热辐射期间由金属层、介质腔层和介质布拉格反射镜组成，介质布拉格反射镜至少要5组，层数较多并且厚度较厚。本发明在此基础上引入遗传算法优化辐射器结构厚度，选用耐高温黏附性好的材料，有效解决了高温脱膜，与随温度变化峰位偏移的问题。

发明内容

针对上述传统红外光源存在的问题，本发明提供一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器及其制备方法，利用金属-多层膜介质增强金属对光的吸收/辐射，并通过遗传算法优化的超薄红外热辐射器及其制备方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，该红外热辐射器包括：

热膨胀系数小的衬底；

具有耐高温且粘附性强的金属层；

耐高温且在辐射波段吸收系数接近为0的介质层a；

耐高温且在辐射波段吸收系数接近为0的介质层b；

所述介质层a与介质层b依次交替设置多层，每层厚度为100-600nm。

该红外窄带辐射源工作波长可覆盖短波(1.1～3μm)和中波(3～6μm)；辐射发射率ε可高达100％。这种红外辐射器具有高辐射率，峰值辐射率接近100％的优势，并且结构简单，易于大面积制备、波长可调控，可制备在柔性衬底上，能耐1000K高温等一系列优点，在红外光源、化学分子特征峰探测、红外成像、光电特征标识和新型红外光谱仪上有良好的应用前景。

进一步地，所述的衬底为耐高温材质的衬底，可以采用柔性衬底。

进一步地，所述金属层为铬材质的金属层。

进一步地，所述金属层的厚度远大于辐射源向金属内传播的穿透深度。

进一步地，所述金属层厚度为100-200nm。

进一步地，所述介质层a为二氧化硅材质的介质层。

进一步地，所述介质层b为五氧化二铌材质的介质层。

金属层可以是铬，金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度；所述的介质a可以是二氧化硅、介质b可以为五氧化二铌等在辐射波段具有弱吸收性质的半导体或化合物材料，这几种材料普遍具有耐高温特性且两种材料折射率相差较大。

进一步地，所述介质层a与介质层b依次交替设置6-10层，每层厚度为100-600nm。

一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上通过电子束蒸发生长金属层，并使金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度；

步骤2：根据遗传算法设计的结果制备介质层a与介质层b，通过晶控或者光控来控制各层介质薄膜的厚度；

步骤3：测试制备好的红外热辐射器的反射光谱R，其吸收光谱A＝1-R(其中R为反射率，A为吸收率)；

步骤4：制备好的红外热发射期间放在高温加热台上加热，测试其热辐射谱。

步骤1在衬底上通过生长金属层，200℃退火2h；步骤2生长过程中衬底加热200℃，生长结束退火2h。

制备得到的红外热辐射器结构为准周期厚度为亚波长，能耐1000K高温，介质b的折射率大于介质a的折射率。

本发明方法弥补了以往红外辐射器整体厚度较厚、不耐高温等不足，实现了短波(1.1～3μm)、和中波(3～6μm)具有准周期、可以大面积制备、耐高温等特点的红外辐射器。基于遗传算法设计的红外辐射器结构为准周期，厚度为亚波长，可大面积制备。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于本申请对金属层进行了选择，铬具有较好的黏附性与耐高温特性；对介质层材质进行选择，氧化硅与氧化铌均具有较好的耐高温特性；并通过遗传算法优化确定厚度，整个期间厚度较薄，层数较少，利于热辐射器件的制备，并且器件具有耐高温特性。

1、本发明的红外热辐射器结构由遗传算法优化，结构为准周期整体厚度较薄为亚波长。

2、本发明的红外热辐射器为准周期的膜系结构体系，可大面积制备。

3、本发明的红外热辐射器可耐1000K高温。

附图说明

图1为本发明准周期大面积耐高温的红外热辐射器结构图；

附图标记：1-衬底、2-金属层、3-介质a、4-介质b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器结构图：包括衬底1、金属层(如：铬Cr)2、介质a(如SiO₂)3、介质b(如Nb₂O₅)4，其中，a)衬底热膨胀系数较小；b)金属铬Cr耐高温且粘附性强；c)介质材料SiO₂与Nb₂O₅耐高温，其在中红外波段吸收系数接近为0，并且折射率随温度变化较小，热膨胀系数较小。

红外热辐射器制备与辐射谱测试包括以下步骤：

步骤1：在衬底上通过电子束蒸发生长金属层，200℃退火2h；为了使得膜系透过率为零，金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度，金属薄膜具有红外宽带高反效果；

步骤2：根据遗传算法设计的结果制备介质层；通过晶控或者光控来控制各层介质薄膜的厚度；生长过程中衬底加热200℃，生长结束退火2h；

步骤3：测试制备好的红外热辐射器的反射光谱R，其吸收光谱A＝1-R；

步骤4：制备好的红外热发射期间放在高温加热台上加热(如1000K)，并测试其热辐射谱。

其中，步骤2中的遗传算法具体为：用于优化多变量问题的智能算法，其利用达尔文所提出的进化论为思想，通过自定义的评价体系对随机生成的个体进行评估，并在每一次迭代中淘汰评分相对靠后的个体，从而实现优化目的。经过一定次数的迭代后，算法收敛并得到对应最优解的变量值。

在优化实现红外热辐射器的过程中，为了更好地刻画遗传算法的进化和种群繁殖特征，我们采用了二元遗传算法，即将结构参数表征为二进制序列，建立了基于FOM(Function of Merit)函数的个体评价体系。在算法参数设置中，我们将种群大小设置为100，种群间交换的概率为0.9，个体的变异概率为0.1，迭代次数为100次，在算法运行过程中，种群的平均适应度值随时间增加，在60代左右趋于收敛，这也说明GA算法在多元优化问题上有很好的快速收敛性。

以下为某一具体应用示例

一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器制备与辐射谱测试，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上通过电子束蒸发生长金属铬Cr厚度为150nm，200℃退火2h；

步骤2：根据遗传算法设计的结果，通过电子束蒸发制备介质层，从下至上厚度依次为：SiO₂104nm、Nb₂O₅450nm、SiO₂367nm、Nb₂O₅461nm、SiO₂505nm、Nb₂O₅445nm、SiO₂530nm、Nb₂O₅400nm、；通过晶控或者光控来控制各层介质薄膜的厚度；生长过程中衬底加热200℃，生长结束退火2h；

步骤3：使用傅里叶红外光谱仪制备好的红外热辐射器的反射光谱R，其吸收光谱A＝1-R，光谱在3.6μm处吸收约等于1；

步骤4：制备好的红外热发射期间放在高温加热台上加热(如1000K)，并测试其热辐射谱，3.6μm处热辐射谱(红外热辐射器辐射率黑体辐射率)约等于1。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，该红外热辐射器包括：

热膨胀系数小的衬底(1)；

具有耐高温且粘附性强的金属层(2)；

耐高温且在辐射波段吸收系数接近为0的介质层a(3)；

耐高温且在辐射波段吸收系数接近为0的介质层b(4)；

所述介质层a(3)与介质层b(4)交替设置多层，每层厚度为100-600nm。

2.根据权利要求1所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述的衬底(1)为耐高温材质的衬底。

3.根据权利要求1所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述金属层(2)为铬材质的金属层。

4.根据权利要求3所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述金属层(2)的厚度远大于辐射源向金属内传播的穿透深度。

5.根据权利要求3所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述金属层(2)厚度为100-200nm。

6.根据权利要求1所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述介质层a(3)为二氧化硅材质的介质层。

7.根据权利要求6所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述介质层b(4)为五氧化二铌材质的介质层。

8.根据权利要求6所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器，其特征在于，所述介质层a(3)与介质层b(4)依次交替设置6-10层。

9.如权利要求1所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在衬底上生长金属层，并使金属层膜厚远大于辐射源向金属内传播的穿透深度；

10.根据权利要求9所述的一种准周期大面积耐高温的红外热辐射器的制备方法，其特征在于，步骤1在衬底上通过采用磁控溅射、离子束溅射、电子束蒸发、热蒸发、脉冲激光沉积或原子层沉积生长金属层，200℃退火2h；

步骤2生长过程中衬底加热200℃，生长结束退火2h。