北京化工大学杨卫民教授课题组:聚合物多层异质结构宽带反射器实现对近红外光高效反射
如今，全球气候变暖使得人们在获取舒适温度时耗费了高额成本，其根本在于，太阳光中近红外光谱的照射，成为建筑物温度升高的主要原因之一，以至于需要安装强大的空调系统等建筑设施以降低室温。由此，改善建筑物对近红外光反射率，又能避免使用昂贵的建筑材料，做到降低室内温度，无疑成为解决此类环境问题的最佳途径。节能膜就具有成本低，稳定性高，耐用性好等优点。不同折射率的材料也可被用于膜中以获得更好的节能效果，但是在节能膜中添加较高高折射率差值的材料，会使得它们不适合于大规模应用和工业化。
近期，来自北京化工大学杨卫民教授课题组提出了一种使用遗传算法设计的具有聚合物多层异质结构的近红外光宽带反射器。采用由多组具有折射率差值较小的膜单元组成的多层异质结构，通过对每个单元的布拉格波长进行优化，设计出的聚合物多层异质结构能实现近红外光区域的高反射率和可见光区域的高透射率。除此之外，研究人员还分析了利用微纳多层挤出技术制备这种聚合物多层异质结构的可行性。相关成果以题目“Design of polymer multilayer heterostructure broadband reflector for the near-infrared using genetic algorithm”发表在Journal of Nanophotonics, 2017, 11(3): 1上。第一作者为机电工程学院2017届博士毕业生程祥。
图 1由k层PMMA / PET堆叠层组成的多层异质结构示意图（每组包含S个PMMA / PET双层）
【工作机理】
这种聚合物多层异质结构，由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）单元多层梯度堆叠形成的宽带反射器。对于每个PMMA / PET单元，可以实现在其布拉格波长附近实现高反射。以每个PMMA / PET单元的布拉格波长作为变量，应用遗传算法寻找宽带近红外反射的最优多层异质结构。考虑到薄膜加工的精度，可实现短波长近红外光区域（780-1100nm）高达99.63%的总能量反射率和可见光区域（380-780nm）中89.54%的总能量透射率。
图 2 （a）具有六个单元（k = 6）聚合物多层异质结构的反射率和（b）输出光谱（包括用于比较的入射太阳光源）
【多层薄膜制备技术】
多层结构通过扭转层叠的微纳多层共挤技术制造。与立交叠层的方法相比，更易保证薄膜良好的平滑度。制备过程中，PMMA和PET通过两个挤出机挤出，并通过层叠器获得具有一定厚度比的PMMA / PET熔体双层结构。当通过层叠器时，双层熔体首先在宽度方向上分成4通道。4个通道的双层熔体沿挤出轴线方向扭曲90°并在宽度方向被切割前延展至一定宽度，从而形成2*4 = 8层的周期性结构。三个4通道层叠器串联连接，形成2*4^3 = 128层的多层异质结构。最后通过梯度膜厚层叠器将熔体按比例分割，比例值即六组中PMMA/PET的厚度比。最后通过挤出模头和成型装置形成最终的多层异质结构。实际厚度即所有层的厚度之和。
图 3基于扭转层压的微纳米多层共挤技术
考虑到加工精度和产业化的需求，在10nm的总厚度误差范围内，近红外光的光谱反射率与理想值偏差极小。并且模拟计算分析表明，正入射角从0°增加到90°过程中，结构在近红外光区域（780-1100nm）中的反射率总是很高（70％以上）。结果说明：与其他敏感滤光片相比，所设计结构对近红外光区域（780-1100 nm）的高效反射具有极强的稳定性。
图 4 （a）基于入射角和波长通过模拟计算的设计结构的反射率;（b）近红外光谱（780-1100nm）的反射率对入射角的依赖性。
此研究得到了北京市自然科学基金委等基金的资助。
论文链接：
http://dx.doi.org/10.1117/1.JNP.11.036021
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