专利摘要

专利摘要

本发明公开一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件，包括两层渐变折射率材料薄膜层、基底层和二氧化钒薄膜层，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的一层设置在所述基底的上表面，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的另一层设置在所述基底的下表面。本发明将渐变折射率材料和热致相变材料结合,得到SiOx/SUB/SiOx/VO2结构的全向透射薄膜元件，其利用渐变折射率SiOx材料折射率大范围连续可调的优势，构建相变薄膜VO2双侧SiOx折射率调制层，使薄膜器件整体成为包含相变材料的折射率连续体。此外，本发明还公开一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法。

权利要求

1.一种随温度自调节的透射薄膜元件，其特征在于，包括两层渐变折射率材料薄膜层、基底层和二氧化钒薄膜层，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的一层设置在所述基底的上表面，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的另一层设置在所述基底的下表面，所述二氧化钒薄膜层设置在所述另一层渐变折射率材料薄膜层的下表面，所述两层渐变折射率材料薄膜层为氧化硅薄膜层，所述氧化硅薄膜层的折射率大于1.0且小于2.85；

位于基底层上方的渐变折射率材料薄膜层、基底层、位于基底层下方的渐变折射率材料薄膜层、二氧化钒薄膜层结构形成折射率连续体；所述渐变折射率材料薄膜层的折射率逐渐增大。

2.一种基于权利要求1 所述的随温度自调节的透射薄膜元件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）选取单质硅作为溅射靶材；

（2）使用机械泵与分子泵将真空镀膜机的真空腔抽至小于10-3Pa；

（3）将渐变折射率材料薄膜层SiOx，0≤x≤2，在反应气体O2和溅射气体Ar的混合氛围中沉积，所述溅射气体Ar的气流量为11.3sccm；

（4）在0.5Pa的工作气压下，稳定真空镀膜机的溅射功率在设定值，预溅射设定时间，所述真空镀膜机在预溅射时的溅射功率稳定在120W；

（5）在预溅射完成后，打开真空镀膜机的挡板溅射设定时间，并控制真空镀膜机的溅射功率在设定范围内变化，以制备得到折射率在范围内连续变化的氧化硅薄膜层，所述真空镀膜机的溅射功率在40-160W范围内变化；

（6）将第一层氧化硅薄膜层溅射在基底的上表面，再将第二层氧化硅薄膜层和二氧化钒薄膜层分别溅射在基底的下表面，且二氧化钒薄膜层位于第二层氧化硅薄膜层的下方。

3.根据权利要求2所述的随温度自调节的透射薄膜元件的制备方法，其特征在于，所述真空镀膜机的预溅射时间为5min，所述真空镀膜机打开挡板后的溅射时间为30min。

4.根据权利要求2所述的随温度自调节的透射薄膜元件的制备方法，其特征在于，所述氧化硅薄膜层的折射率为1.2-2.5。

5.根据权利要求2所述的随温度自调节的透射薄膜元件的制备方法，其特征在于，所述第一层氧化硅薄膜层的厚度为300nm，所述第二层氧化硅薄膜层的厚度为350nm，所述二氧化钒薄膜层的厚度为35nm。

说明书

技术领域

本发明涉及光学薄膜领域，特别涉及一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件及其制备方法。

背景技术

二氧化钒(VO2，Vanadium Oxide)薄膜可在不同外界激励条件下瞬时发生半导体-金属(MIT)可逆的相变，2018年被评选为未来世界20大材料之一。二氧化钒薄膜相变过程中晶体结构由单斜晶相变为金红石型，相变前后的薄膜物理性能发生突变。鉴于二氧化钒薄膜这些独特相变性能，二氧化钒薄膜器件可以被广泛应用到航天、军事、民用等领域。例如在智能窗、热控组件、光学传感器、热敏电阻、光存储材料、红外遥感接收器、可变反射镜、激光防护镜等方面，二氧化钒薄膜都具有广阔的应用前景。

但由于二氧化钒薄膜本身透射率及红外调制率较低，同时偏振效应会引起透射效率的严重下降，这极大限制了其在相关领域的应用推广。国内外研究人员通过掺杂增透膜等技术来改善其光学性能。常规二氧化钒增透膜利用干涉效应降低表面反射进而提升透射率，但传统均匀膜作用谱段有限，通常只能针对有限波段(如380-780nm)进行增透，且当倾斜入射时会存在严重的偏振效应导致光谱性能下降。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件，旨在解决现有的二氧化钒薄膜存在透射率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件，该可随温度自调节的全向透射薄膜元件包括两层渐变折射率材料薄膜层、基底层和二氧化钒薄膜层，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的一层设置在所述基底的上表面，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的另一层设置在所述基底的下表面，所述二氧化钒薄膜层设置在所述另一层渐变折射率材料薄膜层的下表面。

优选地，所述两层渐变折射率材料薄膜层为氧化硅薄膜层。

优选地，所述氧化硅薄膜层的折射率大于1.0且小于2.85。

本发明还提出一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法，该可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法包括以下步骤：

(1)选取高纯单质硅作为溅射靶材；

(2)使用机械泵与分子泵将真空镀膜机的真空腔抽至小于10-3Pa；

(3)将渐变折射率材料薄膜层SiOx(0≤x≤2)在反应气体O2和溅射气体Ar的混合氛围中沉积；

(4)在0.5Pa的工作气压下，稳定真空镀膜机的溅射功率在设定值，预溅射设定时间；

(5)在预溅射完成后，打开真空镀膜机的挡板溅射设定时间，并控制真空镀膜机的溅射功率在设定范围内变化，以制备得到折射率在范围内连续可调的氧化硅薄膜层；

(6)将第一层氧化硅薄膜层溅射在基底的上表面，再将第二层氧化硅薄膜层和二氧化钒薄膜层分别溅射在基底的下表面，且二氧化钒薄膜层位于第二层氧化硅薄膜层的下方。

优选地，所述溅射气体Ar的气流量为11.3sccm。

优选地，所述真空镀膜机在预溅射时的溅射功率稳定在120W。

优选地，所述真空镀膜机的溅射功率在40-160W范围内变化。

优选地，所述真空镀膜机的预溅射时间为5min，所述真空镀膜机打开挡板后的溅射时间为30min。

优选地，所述氧化硅薄膜层的折射率为1.2-2.5。

优选地，所述第一层氧化硅薄膜层的厚度为300nm，所述第二层氧化硅薄膜层的厚度为350nm，所述二氧化钒薄膜层的厚度为35nm。

与现有技术相比，本发明实施例的有益技术效果在于：

本发明将渐变折射率材料和热致相变材料结合,得到SiOx(渐变折射率)/SUB/SiOx(渐变折射率)/VO2结构的全向透射薄膜元件，其利用渐变折射率SiOx材料折射率大范围连续可调的优势，构建相变薄膜VO2双侧SiOx折射率调制层，使薄膜器件整体成为包含相变材料的折射率连续体。本发明所提出的SiOx(渐变折射率)/SUB/SiOx(渐变折射率)/VO2结构利用了具有渐变折射率和热致相变功能材料，实现了全向透射且随温度自动调节以及光束能量集中功能。

附图说明

图1为本发明可随温度自调节的全向透射薄膜元件的结构示意图；

图2为本发明可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法的流程图；

图3为光线在渐变折射率材料(SG1)中光的弯曲示意图；

图4为渐变折射率连续体中全向光汇聚示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件，在一实施方式中，参见图1，该可随温度自调节的全向透射薄膜元件包括两层渐变折射率材料薄膜层、基底层和二氧化钒薄膜层，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的一层设置在所述基底的上表面，所述两层渐变折射率材料薄膜层中的另一层设置在所述基底的下表面，所述二氧化钒薄膜层设置在所述另一层渐变折射率材料薄膜层的下表面。

需要说明的是，SUB为基底层，SG1为第一层渐变折射率材料氧化硅薄膜层，SG2为第二层渐变折射率材料氧化硅薄膜层，VO2为二氧化钒薄膜层。

本发明采用磁控溅射技术，将渐变折射率材料硅氧化物(SiOx,0≤x≤2))与相变材料VO2优势加以协调结合，创新性的进行了一种随温度自调节的全向透射薄膜元件制备研究。渐变折射率薄膜材料是指薄膜的折射率沿着膜厚方向逐渐变化，但在水平方向上保持不变。由于它克服了传统光学薄膜中界面的跃变特性，可使光线在其内部近似呈曲线传播，消除菲涅尔反射，与传统的均匀膜系相比较，渐变折射率薄膜的作用谱段更宽，降低对光线入射角度的依赖程度，可实现超宽波段、全立体角、偏振非敏感、高透过率等性能。同时利用热致相变材料材料VO2的折射率随着环境温度的变化会产生自动调节的效果，以此搭建一种双面镀膜的折射率连续体光学元件，这种思路为国内外首创，将渐变折射率材料和热致相变材料优势结合,首次提出将折射率渐变材料硅氧化物(SiOx,0≤x≤2))用于AIR/SiOx(渐变折射率)/SUB/SiOx(渐变折射率)/VO2结构的技术方案，该结构由两个渐变折射率硅氧化物和一层热致变色VO2薄膜组成。通过折射率调制使VO2薄膜器件成为折射率连续体Index-Continuous Structure(ICS)，使光线在其内部呈现只有偏折而无反射的曲线传播，同时渐变折射率薄膜的作用谱段更宽，降低光线对入射角度、偏振态的依赖程度,本发明将大大拓展VO2相变材料在包括正(倾斜)入射、广角入射等条件下的应用与推广。

基于前述所提出的可随温度自调节的全向透射薄膜元件，本发明还提出一种可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法，参见图2，该可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法包括以下步骤：

(1)选取高纯单质硅作为溅射靶材；

(2)使用机械泵与分子泵将真空镀膜机的真空腔抽至小于10-3Pa；

(3)将渐变折射率材料薄膜层SiOx(0≤x≤2)在反应气体O2和溅射气体Ar的混合氛围中沉积；

(4)在0.5Pa的工作气压下，稳定真空镀膜机的溅射功率在设定值，预溅射设定时间；

(5)在预溅射完成后，打开真空镀膜机的挡板溅射设定时间，并控制真空镀膜机的溅射功率在设定范围内变化，以制备得到折射率在范围内连续可调的氧化硅薄膜层；

(6)将第一层氧化硅薄膜层溅射在基底的上表面，再将第二层氧化硅薄膜层和二氧化钒薄膜层分别溅射在基底的下表面，且二氧化钒薄膜层位于第二层氧化硅薄膜层的下方。

在一具体实施例中，本发明所提出的可随温度自调节的全向透射薄膜元件的制备方法包括：选取高纯单质Si靶(99.99％)作为溅射靶材材料，机械泵与分子泵配合使用将本底真空抽至约10-3pa，渐变折射率SiOx(0≤x≤2)薄膜在反应气体O2(99.99％)和溅射气体Ar(99.99％)的混合氛围中沉积，Ar的气流量设为11.3sccm，氧气流量采用伺服模式(氧气流量随溅射功率变化而自动变化)。在0.5Pa的工作气压下，稳定功率在120W，首先预溅射5min，除去靶材表面的污染，然后打开挡板溅射30min。从40-160W范围内沉积时，动态调节溅射功率，氧气流量随着动态调节，实现渐变折射率SiOx材料折射率在1.2～2.5大范围连续可调。在制备得到折射率在1.2～2.5大范围连续可调的氧化硅薄膜层后，采用溅射工艺依次将第一层氧化硅薄膜层SG1(300nm)溅射在元件基底的上表面，在此基础上将第二层氧化硅薄膜层SG2(350nm)和氧化钒薄膜层(35nm)溅射在元件基底的下表面，形成结构为二氧化钒薄膜层/渐变折射率氧化硅薄膜层的二氧化钒双层膜体系。

本发明所提出的SiOx(渐变折射率)/SUB/SiOx(渐变折射率)/VO2结构的折射率连续体的独特优势在于，由于渐变折射率材料的折射率逐渐增大，光线在其中传播时入射角会不断减小，偏折趋向法向方向(如图3所示)在匹配波长处具有极小的表面剩余反射，并可以实现对任意随机偏振光的全向传输。参见图4，在宽入射光线入射范围内(0°-80°)，任意偏振态(P或S)入射光由于在渐变折射率连续体内的光线连续偏折，会将所有入射光引导到光线出射面出口点的法线方向，从而起到能量集中的光汇聚作用。

此外，热致变色VO2薄膜层作为最外表面的调谐层，折射率随温度自动变化，进而自动调制汇聚效率。这种硅氧化物渐变折射率连续体(ICS)结构，实现对随机s和p偏振光全向能量集中的新方法。该技术考虑了传统光学元件的局限性的基础上发展起来的，可以用于获得对光路透射结构中的光束全向弯曲。硅氧化物渐变折射率连续体(ICS)结合了渐变折射率材料和热致变色材料的优点，实现了通过环境温度调节实现光束的全向汇聚功能。

本发明所提出的可随温度自调节的全向透射薄膜元件具有如下有益技术效果：

(1)本发明的双面镀膜体系利用硅氧化物薄膜作为设计制备新型全向透射的二氧化钒薄膜体系元件，利用硅氧化物SiOx(0≤x≤2)折射率调节范围较大并且可以连续的特性，构建折射率连续体结构可以实现光的全向弯曲和能量集中，可以实现具有超宽波段、全立体角、偏振非敏感、高透过率的光谱性能；

(2)本发明的双面镀膜体系结构有助于克服传统光学元件的限制，因为传统光学薄膜元件透射率及透射效率往往是不可调节的，而且只能在一个设计的波长上工作。将渐变折射率材料和热致变色材料的优点结合起来，实现了全向透射且随温度自动调节以及能量集中。

以上所述的仅为本发明的部分或优选实施例，无论是文字还是附图都不能因此限制本发明保护的范围，凡是在与本发明一个整体的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明保护的范围内。

可随温度自调节的全向透射薄膜元件及其制备方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

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Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。