增透膜:有了它,效果大不同(下)

摘要

肥皂泡实际上是肥皂水薄膜形成的一个球壳。当光照射进来时,一部分光直接被肥皂泡的外表面反射回来,另一部分则先进入水膜,然后被肥皂泡的内表面反射,与被外表面反射的光汇合后一起进入我们的眼睛。由于水膜具有一定的厚度,从肥皂泡内表面反射的光就比从外表面反射的光多走了一段路程,因此两束反射光相遇时会发生光的干涉。

题图        来自肥皂泡的启发

如果你玩过肥皂泡,就会注意到一个有趣的现象:在阳光照耀下,肥皂泡表面呈现出绚丽的色彩,这些色彩是怎么来的?

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肥皂泡表面经常呈现出不同的色彩 (来源:http://www.inspiringwallpapers.net/colorful-bubbles-1.html)

肥皂泡实际上是肥皂水薄膜形成的一个球壳。当光照射进来时,一部分光直接被肥皂泡的外表面反射回来,另一部分则先进入水膜,然后被肥皂泡的内表面反射,与被外表面反射的光汇合后一起进入我们的眼睛。由于水膜具有一定的厚度,从肥皂泡内表面反射的光就比从外表面反射的光多走了一段路程,因此两束反射光相遇时会发生光的干涉。如果膜的厚度恰好使得多走的这段路程是光在水中的波长的整数倍,那么两束光相遇时,双方的波峰相对,强度达到最大。

由于可见光是波长在380-800纳米这个范围的不同电磁波的混合,显然,不管肥皂泡水膜的厚度如何变化,总是只能有某一波长的光在反射时强度最大,这就导致肥皂泡表面呈现出一定的色彩,即通常所说的结构色。

很容易想到,如果改变一下膜的厚度,让两束反射光相遇时相差的路程变成波长整数倍再加上半个波长,那么它们不就变成波峰与波谷对应,总的强度为零了么?没错,一些常见的增透膜正是通过控制膜厚,让反射光的强度进一步降低。

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薄膜的存在可以让从它上下表面反射的光发生干涉,在特定的膜厚下,两束光的总强度可以达到最大(左)或者最小(右)(来源:维基百科)

 但这种方法的缺点和优点同样明显。既然某一波长的光通过干涉使得强度最大时,其他波长的光达不到最大;那么同样,改变膜厚让这一波长的光由于干涉强度最小时,其他波长的光强度也没法达到最小。镀有这种增透膜的物体经常呈现出特定的颜色,正是由于这些波长的反射光并没有很好地被削弱。事实上,这种增透膜的性能总是呈“V”形曲线:对某一波长的光增透效果最佳,而对于波长大于或者小于这个数值的光,其增透效果就没有那么理想了。

对于玻璃、塑料等材料,其折射率与空气相比相差不算太大,因此在它们表面添加这种增透膜后,即便不是所有波长的反射光都能因薄膜干涉而最大削弱,总的增透效果仍然可以接受。由于人眼以及一些感光材料对黄绿色的光最为敏感,因此在实际应用中,我们通常会控制增透膜的膜厚,使得这一部分光的反射强度降至最低。

但太阳能电池等使用高折射率材料就不同了。如果在单晶硅的表面覆盖一层氮化硅(折射率约为2)增透膜,控制膜厚使得波长为500纳米的光刚好由于薄膜干涉而使得反射光强度变为0。此时对波长400纳米的紫光或者波长1000纳米的红外线而言,由于膜的厚度不能让它们满足通过薄膜干涉达到强度最小的条件,被反射的光仍然占到入射光的近20%。显然,这样的表现是不能令人满意的。

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镀有单层氮化硅增透膜的多晶硅。由于薄膜干涉,表面呈现出不同的颜色。(来源http://www.pveducation.org/pvcdrom/design/arc-color)

解决这个问题的一种途径是将几层不同厚度的膜叠加在一起,让它们分别使不同波长的反射光通过干涉降低强度,但这样就大大增加了设计和加工的成本。那么还有没有更好的办法呢?科学家们在蛾子身上找到了答案。

 

复眼中的秘密

研究人员发现,光在蛾类眼睛表面的反射极其微弱,对于这些在夜晚活动的昆虫,这既可以帮助它们在昏暗的月光或者星光下更好地看清周围环境,也可以避免由于眼睛反射光线而被捕食者发现。那么蛾子究竟是凭着什么方法减弱光在眼睛表面的反射呢?

和其它昆虫一样,蛾子的眼睛也是复眼,即由许许多多直径只有几十微米的单眼组成。如果我们用扫描电子显微镜观察,就会发现这些单眼的表面并不是平滑的,而是布满了许多高几百纳米,直径和间距都不到一百纳米的矮柱,而且这些柱子实际上顶部较窄,底部则略宽,而正是这些微观结构让光在蛾子复眼表面的反射降到了微乎其微的程度。

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扫描电子显微镜下的一种蛾子的复眼,可见其表面的微观结构。图中标尺分别为为5微米(左)和500纳米(中、右)。(图片来源:Doo-Hyun Ko, John R. Tumbleston, Kevin J. Henderson, Larken E. Euliss, Joseph M. DeSimone, Rene Lopezb and Edward T. Samulski, “Biomimetic microlens array with antireflective ‘‘moth-eye’’ surface”, Soft Matter, 2011, 7, 6404)

在前面我们提到,如果在玻璃表面覆盖一层折射率为1.25的材料A构成的薄膜,能让更多的光进入玻璃。如果我们在A的薄膜表面再覆一层材料B的薄膜,让B的折射率介于A和空气之间,例如等于1.1,那么不难看出,总的反射将变得更弱,也就是说会有更多的光穿过薄膜A并进入玻璃。

接下来我们在薄膜A和玻璃之间也插入一层新的薄膜C,让它的折射率在A和玻璃之间,则反射将进一步削弱。只要不断重复这一过程,在原先界面的两种材料间插入折射率居中的薄膜材料,那么虽然发生反射的界面越来越多,而总的反射程度却能愈加削弱。如果覆盖在玻璃表面的薄膜层数足够多,那么薄膜界面间的反射也就越加不明显,而相当于是一层折射率逐渐过度的材质。光也在“不知不觉”间就离开空气进入玻璃了。这种连续变化的折射率正是削弱反射的最有力武器。

蛾子复眼表面的微观结构正是利用了这个原理。虽然我们在电子显微镜下能够清晰看到许多纳米尺度的小圆顶,但由于它们的尺寸比光的波长还要小,因此当光照射进来时,它没法分辨这里是空气,那里是眼睛上的微观结构,只会将其视为一种物质,它的折射率自然相当于两种物质的折射率按照各自所占比例的相加。如果把这种微观结构看成一层层薄膜叠加在一起,由于这些矮柱上小下大,从上之下,薄膜中空气占的比例越来越小,折射率越来越接近组成眼睛的材料。因此,光从空气照射到眼睛表面时,折射率也是逐渐变化,反射的程度自然十分微弱。不难看出,这种方法并不需要借助薄膜干涉来发挥作用,因此几乎对所有波长的光都能有效地发挥作用,而且也不依赖于入射的角度,真正做到了“专”与“博”的结合,是用于增透膜的最佳的选择。有趣的是,这种微观结构对水具有很强的排斥作用,因此在帮助增加光的透射的同时,还能尽量避免水气凝结在蛾子眼睛表面影响视线,这不能不让人惊叹演化的奇妙。

实际上人们很早就知道折射率呈梯度或者连续变化的材料是降低反射最有效的途径,但由于低折射率的固体材料比较少见,因此一直苦于找不到合适途径来实现。而蛾子复眼的独特结构让研究人员茅塞顿开,原来借助于纳米结构就可以迎刃而解了。随着纳米技术的发展,关于新型增透膜的研究如雨后春笋一般涌现。例如要让常规的固体材料折射率低达1.07近乎天方夜谭,但如果将许多纳米尺度的二氧化硅小柱子排列在一起,只要保证足够多的空气充斥其间,就可以很容易做到这一点。如果在硅表面依次覆盖一层二氧化钛(折射率约2.66)、二氧化硅(折射率约1.47)和这种微观结构。由于更好地实现了折射率的梯度变化,总的增透效果大大优于依靠薄膜干涉来增透的氮化硅单层膜。 5

上图为采用纳米结构的新型增透膜的示意图和电镜照片,n为材料的折射率,t为材料的厚度,下图为增透效果图,可以看出,采用薄膜干涉原理的增透膜仅对特定波长起到最佳效果,而纳米结构能够进一步提高增透效果。(图片来源:Sameer Chhajed, Martin F. Schubert, Jong Kyu Kim, and E. Fred Schubert, “Nanostructured multilayer graded-index antireflection coating for Si solar cells with broadband and omnidirectional characteristics”, Applied Physics Letters, 2008, 93, 251108

 除了更好地挖掘纳米技术的潜力,关于增透膜还有其他许多方面也需要我们继续探索。例如,以更加简便廉价的方式将增透膜覆盖到各种材料表面,提高增透膜的耐久性,甚至让增透膜“身兼数职”,既能削弱反射,还能防止污垢附着甚至防止微生物滋生等等。这一技术经过了上百年的发展,仍然以独特的魅力吸引的众多研究人员为它奉献汗水和智慧。下一次当你拿起相机、打开电脑或是在使用太阳能电池时,不要忘记,增透膜正在默默地为我们奉献。在这些肉眼难以察觉的薄膜背后,是科技的不断进步。(全文完)

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