讓光“不知不覺”穿越界面：國科大杭高院與浙大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新制備高性能寬帶廣角抗反射薄膜
在光學(xué)成像、太陽能利用和顯示技術(shù)等領(lǐng)域，減少光在界面處的反射損耗是一個(gè)永恒的核心挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的多層抗反射膜往往設(shè)計(jì)復(fù)雜、帶寬有限且在大角度入射時(shí)性能急劇下降。近日，中國科學(xué)院大學(xué)杭州高等研究院與浙江大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在《Laser & Photonics Reviews》上發(fā)表研究成果，報(bào)道了一種采用磁控共濺射結(jié)合濕法刻蝕的新策略，成功制備了具有梯度折射率分布的高性能寬帶廣角抗反射薄膜。該項(xiàng)工作為實(shí)現(xiàn)高效光管理提供了新穎且可擴(kuò)展的解決方案。
一、 技術(shù)瓶頸：傳統(tǒng)抗反射膜的結(jié)構(gòu)之困
抗反射膜的原理是利用 destructive interference 來抵消反射光。傳統(tǒng)方案主要分為兩類：
單層λ/4膜：僅能在特定波長和垂直入射時(shí)達(dá)到最佳效果，適用性窄。
多層介質(zhì)膜堆：可通過設(shè)計(jì)在寬波段實(shí)現(xiàn)低反射，但其折射率在層與層之間呈階躍式變化。這種突變界面會(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)問題：
帶寬限制：難以在極寬光譜范圍內(nèi)（如可見-近紅外）實(shí)現(xiàn)近乎零反射。
角度敏感性：入射光角度增大時(shí)，反射率急劇升高，嚴(yán)重影響離軸成像和收集效率。
應(yīng)力與附著力：不同材料界面間的熱應(yīng)力和晶格失配易導(dǎo)致薄膜開裂或剝落。
二、 創(chuàng)新之道：仿生梯度結(jié)構(gòu)與可控制備
研究團(tuán)隊(duì)受飛蛾眼等生物結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，致力于制備具有連續(xù)漸變折射率剖面的薄膜。這種結(jié)構(gòu)允許光波阻抗的平緩過渡，使光“不知不覺”地穿過界面，從而在超寬波段和超大入射角范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)近乎零反射。
團(tuán)隊(duì)突破常規(guī)，開發(fā)了一條新穎的“先沉積，后刻蝕”的制備路線，其核心工藝流程與結(jié)構(gòu)演變?nèi)缦聢D所示：
該技術(shù)路線的兩大核心步驟是：
磁控共濺射（Magnetron Co-sputtering）：
團(tuán)隊(duì)同時(shí)使用SiO?和Al?O?作為靶材，通過精確控制各自的濺射功率，在基片上沉積出化學(xué)組分（Si/Al比）均勻可調(diào)的SiAlO?混合薄膜。
此方法的關(guān)鍵優(yōu)勢在于組分在納米尺度上的高度均勻性，為后續(xù)形成均勻的梯度結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
濕法刻蝕（Wet Etching）：
利用Al?O?與SiO?在特定蝕刻劑中選擇性溶解的差異，將沉積好的SiAlO?薄膜進(jìn)行濕法刻蝕處理。
蝕刻劑優(yōu)先溶解富Al區(qū)域，而富Si區(qū)域得以保留。通過精確控制蝕刻時(shí)間和濃度，過程從表面至內(nèi)部漸進(jìn)發(fā)生，最終成功在薄膜內(nèi)部構(gòu)造出一個(gè)從表層（接近空氣折射率）到底層（接近基底折射率）的連續(xù)漸變折射率分布結(jié)構(gòu)。
三、 性能卓越：寬帶、廣角、低反射
性能測試結(jié)果表明，該方法制備的梯度折射率抗反射膜表現(xiàn)出色：
超寬波段：在400-1500 nm的超寬光譜范圍內(nèi)，平均反射率被抑制至<1.5%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)λ/4膜。
超廣角度：即使在60°的大角度入射下，薄膜仍能保持極低的反射率，解決了傳統(tǒng)膜系角度敏感的核心痛點(diǎn)。
優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度：由于薄膜本身是經(jīng)過燒結(jié)處理的無機(jī)氧化物，其硬度、耐磨性和附著力均優(yōu)于許多有機(jī)或氣凝膠基的減反結(jié)構(gòu)。
四、 結(jié)論與展望
國科大杭高院與浙大團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)工作，通過磁控共濺射與濕法刻蝕的巧妙結(jié)合，成功地將仿生梯度折射率結(jié)構(gòu)從概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭删_制備的現(xiàn)實(shí)。這種制備策略不僅設(shè)計(jì)新穎，而且易于擴(kuò)展、與現(xiàn)有光學(xué)器件制造工藝兼容性好。
該項(xiàng)技術(shù)有望為眾多領(lǐng)域帶來性能提升：
光伏產(chǎn)業(yè)：提升太陽能電池對晨昏、陰天等大角度入射光的捕獲效率，增加日均發(fā)電量。
高端光學(xué)成像：用于相機(jī)、顯微鏡、無人機(jī)鏡頭等復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)，消除雜散光，提升成像對比度和清晰度。
柔性顯示與觸控面板：降低表面反射，顯著增強(qiáng)在強(qiáng)光環(huán)境下的可視性。
這項(xiàng)工作為高性能減反射光學(xué)涂層的發(fā)展開辟了一條新的技術(shù)路徑，展現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研結(jié)合在解決前沿科學(xué)問題與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用難題上的巨大潛力。
