| Popis: |
Denne Ph.d.-afhandling undersøger de optiske egenskaber for nanostrukturerede dielektriske og metalliske overflader. Med fokus på skalérbare metoder til fabrikation af antireflekterende nanostrukturer, har dette eksperimentelle studie resulteret i proof-of-concept af billige antireflekterende strukturer på store arealer, samt strukturel forøgelse af absorption af lys i tynde metal film, deponeret på nanostrukturerede substrater.Nanostrukturer over store overflader blev fremstillet ved af Black Silicon (BSi) metoden: en umaskeret reaktiv ion æts, som resulterer i tilfældigt orienterede, spidse nanostrukturer med justerbare dimensioner. Disse BSi strukturer blev replikeret i det UV hærdende materiale Ormocomp, for at kunne karakterisere de optiske egenskaber af nanostrukturerne. BSi strukturer med laterale dimensioner omkring 1 m viste kraftig spredning af lys, og virkede som strukturelle farve-filtre for direkte transmitteret lys. Ved at reducere strukturernes laterale strørrelse, kunne spredning af lys fra overfladen mindskes til et insignifikant niveau. I dette regime virkede BSi strukturerne antireflekterende. En empirisk relation mellem nanostrukturernes karakteristiske længde-skala, og den bølgelængde hvorved lys begynder at blive spredt, blev vist. Dette resultat giver således et designkriterie for brugen af tilfældige nanostrukturer til ikke-spredende antireflekterende overflader.De antireflekterende BSi nanostrukturer blev også fremstillet i en sprøjtestøbe process. En Ni shim blev elektroplateret fra en BSi skive, og brugt som indsats i en sprøjtestøbe form. Reflektansen af de sprøjtestøbte emner blev reduceret fra 4.5% til 2.5% i det synlige spektrum. Reflektansen blev beregnet fra gradienten i det refraktive index vha. effektiv medium teori, baseret på data fra atomic force mikroskopi. Den målte og beregnede reflektans viste god overensstemmelse.Binære antireflekterende strukturer blev fremstillet i Ormocomp, ved replikation fra en Si skive, som blev struktureret vha. hurtig elektronstråle litografi. Reflektansen blev reduceret fra 4% ned til 1% i det synlige spektrum.De optiske egenskaber af tynde metal film deponeret på nanostrukturerede overflader blev undersøgt. Når en metal film blev deponeret på BSi nanostrukturer i Ormocomp, blev reflektansen mindsket voldsomt, og absorptionen forøget. I modsætning til plane metal film, fremstod disse nanostrukturerede metaloverflader helt sorte. To effekter som forårsager den forøgede absorption blev foreslået: en gradient effekt som mindsker reflektansen fra overfladen, samt at den strukturerede overflade tillader lys at koble til overflade-plasmoner i metallet. This Ph.D. thesis explores the optical properties of nanostructured dielectric and metallic surfaces. Focusing on scalable fabrication methods for antireflective nanostructures, this experimental study has resulted in the proof of concept of inexpensive, large area antireflective nanostructures, as well as structural enhancement of light absorption in thin metal films, deposited on nanostructured substrates.Large areas of nanostructures were realized using the black silicon (BSi) method: a mask less reactive ion etching process, resulting in tapered nanostructures with tunable dimensions, on wafer scale. The BSi structures were replicated into the UV curable organicinorganic hybrid polymer Ormocomp, in order to further assess the optical properties of the structures. BSi structures with lateral dimensions of around 1 μm would selectively scatter specific bands of wavelengths, resulting in a structural colour filter for specularly transmittedlight.By reducing the height and lateral size, the structures enter a regime where scattering of visible light becomes insignificant. In this regime, the BSi structures were shown to be antireflective. An empirical relation between the characteristic length scale of the nanostructured surface, and the wavelength at which scattering becomes significant, was shown. The result is thus a design criterion for the use of random nanostructures for non-scattering antireflective surfaces.Antireflective BSi nanostructures were fabricated using injection moulding in polypropylene.A Ni shim was electroplated from a BSi master, and inserted in an injection moulding tool. The reflectance of the injection moulded parts was reduced from 4.5 % to 2.5% in the visible spectrum. The reflectance was calculated from the gradient in the refractive index from AFM data, using effective medium theory, and the measured and theoretical reflectance showed good agreement.Binary antireflective nanostructures were fabricated in Ormocomp by replication from a Si master which was patterned using fast e-beam lithography. The reflectance was decreased from 4% down to 1%.Finally, the optical properties of thin metal films deposited on nanostructured surfaces was studied. When a metal film was deposited on BSi structures in Ormocomp, the reflectance of the metal film was lowered significantly, and the absorption was increased. In contrast to their reflective planar counterparts, these thin metal films appear completely black. Two effects causing the increased absorption were suggested: a gradient effect, causing the metalfilm to be antireflective, and that the structured surface allows for coupling to surface plasmons in the metal film. |
