keywords：红外吸收（Infrared absorption）；多孔薄膜（Porous film）；光热转换（Photothermal conversion）；金属改性（Metal modification）；宽带吸收（Broadband absorption）
研究背景
随着人工智能、大数据和智能城市等领域对红外信息检测和智能感知的强烈需求，迫切需要显著减小红外探测器的尺寸、重量、功耗和成本，同时提高其性能。红外探测器主要分为热探测器和光子探测器。红外热探测器基于热效应（如塞贝克效应和热释电效应），具有无需制冷、结构简单、成本低、寿命长和响应光谱宽等优点，且随着半导体技术和光热材料的发展，其性能逐渐优化，成为高性能红外探测器的研究热点。
目前，窄带隙无机半导体材料（如Ti₂O₃纳米颗粒、MoO₃量子点等）被开发为新型光热材料，展现出良好的光热效应。然而，这些材料大多难以吸收长波长红外辐射，难以满足2.5–20 μm超宽光谱红外探测器的应用需求。尽管通过各种掺杂方法可以进一步降低带隙，但这些材料通常只能在可见光和近红外光范围内表现出较强的光吸收和光热转换能力。
研究内容
本研究从结构光学的角度出发，采用化学浴沉积技术构建了一种具有珊瑚状微孔和花瓣状纳米孔结构的多级孔CuO薄膜，并通过优化PVP用量，将Ag纳米颗粒均匀嵌入花瓣状纳米孔的“花瓣”间隙中。通过实验和模拟分析，研究了多级孔结构和Ag纳米颗粒的协同作用对CuO薄膜在超宽光谱范围内（2.5–20 μm）的光吸收和光热转换性能的影响。
图文导读
图1. CuO@Ag薄膜的制备步骤。
图2. (a) CuO和CuO@Ag-PVP 0-0.1薄膜的XRD图谱；(b) CuO@Ag-PVP 0-0.1薄膜的37°-41°局部放大衍射峰。
图3. CuO@Ag-PVP0.05膜（a）C 1s，（b）O 1s，（C）Cu 2p和（d）Ag 3d的XPS光谱。
图4. (a1~a3) CuO薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；(b1~b3) CuO@Ag-PVP 0.05薄膜的SEM图像；(c) Cu元素分布图；(d) O元素分布图；(e) Ag元素分布图；(f) CuO@Ag-PVP 0.05薄膜的截面图；(g) CuO@Ag-PVP 0.05薄膜的实物照片。
图5. 激光共聚焦显微镜测量的表面形貌：(a) CuO薄膜；(b) CuO@Ag-PVP 0薄膜；(c) CuO@Ag-PVP 0.05薄膜；(d) CuO@Ag-PVP 0.1薄膜；(e) 薄膜的算术平均高度（Sa）；(f) 薄膜的谷体积（Vvv）。
图6. (a) CuO和CuO@Ag-PVP 0-0.1薄膜的反射率变化；(b) CuO和CuO@Ag-PVP 0-0.1薄膜的透射率变化；(c) CuO和CuO@Ag-PVP 0-0.1薄膜的吸收率变化；(d) 所有薄膜反射率的平均值和最大值计算；(e) 所有薄膜透射率的平均值和最大值计算；(f) 所有薄膜吸收率的平均值和最大值计算。
图7.(a) 和 (c) 光热转换的示意图和测试结果；(b) 和 (d) 光电转换的示意图和测试结果。
图8. 在1.55 μm（a1-a5）和10.60 μm（b1-b5）激光照射下，硅基底（Si substrate）、硅基底/氧化铜（Sisub/CuO）以及硅基底/氧化铜@银纳米颗粒-PVP（Sisub/CuO@Ag-PVP 0–0.1）的红外热成像光谱。
图9. CuO和ZnO的电场分布模拟CuO@Ag在波长为6.08 μm、7.36 μm和12.70 μm的光照射下的薄膜。
图10. CuO@Ag薄膜吸收机理示意图。
结论与展望
（1）光吸收性能：CuO@Ag-PVP 0.05薄膜在2.5–20 μm波长范围内的平均吸收率达到94.17%。
（2）光热转换效率：在近红外和远红外光范围内，CuO@Ag-PVP 0.05薄膜的光热转换效率分别达到81.12%和86.96%。
（3）机制分析：多级孔结构（珊瑚状微孔和花瓣状纳米孔）能够形成两种光的引导模式，通过协同作用增强光的捕获能力，拓宽吸收范围并增强吸收特性。Ag纳米颗粒通过局域表面等离子体共振（LSPR）效应，进一步提高光吸收和光热转换效率。
（4）意义：这种多级孔CuO@Ag薄膜的构建为开发具有超宽光谱吸收和高效光热转换能力的无机半导体薄膜提供了新思路，对提高红外热探测器的性能具有重要意义。
参考文献：Dong Cheng, Haigang Hou, Dongliang Zhang, Jian Yang, Liuxu Yu, Guiwu Liu, Junlin Liu, Guanjun Qiao, Construction and photothermal properties of Ag nanoparticles modified multilevel porous CuO film with ultra-wide infrared spectrum absorption. Ceramics International 505, 4145-54154 (2024).
文献链接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.10.271
来源：微纳光学
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