引言
在量子技术与太赫兹光子学领域，宽带吸收体对于热管理与辐射屏蔽具有关键作用。能够降低反射、提升吸收的涂层可显著增强测辐射热计、光电探测器及传感器的性能，并广泛应用于航空航天与国防领域以降低雷达与红外信号特征。其宽谱吸收特性还有利于能量收集系统（如热光伏器件与太阳能集热器）的性能提升。在太赫兹至紫外波段工作的仪器中，杂散光会增大探测器噪声并降低灵敏度，而黑色吸光涂层能有效抑制此类干扰。
目前常用的强吸收涂层材料存在明显局限性：金属黑涂层（如金、银、钨）虽吸收性强但频谱范围窄且成本高昂；垂直排列碳纳米管阵列反射率极低（0.045%），但存在附着力与加工难题；超材料吸收体在近紫外至近红外波段吸收率超90%，但其复杂纳米加工工艺制约了规模化与成本效益。黑硅结构通过湿法化学蚀刻、无掩模反应离子蚀刻或皮秒激光辐照可实现3–4%的低反射率，但工艺复杂耗时。近年来，覆盖石墨薄膜的硅蛾眼结构实现了太赫兹至深紫外超98%的超宽带吸收。此外，拓扑可重构超器件与1T相半金属材料（如TaS2、CoTe2）也为太赫兹辐射的精确调控提供了新思路。
镍及其合金作为黑色涂层的基底材料，因其高强度、耐腐蚀性、可控反射率及高吸收率等特性，在空间仪器（如航天器定向传感器）和高效选择性涂层中广泛应用。黑镍磷（Ni–P）涂层在光学与近红外波段表现出高吸收率、低反射率及优异的机械化学稳定性，通过调控电沉积与后处理条件（如酸蚀刻）可实现超90%的太阳能吸收率。然而，黑镍涂层的宽谱吸收性能尚未得到系统研究。
本文提出通过电沉积镍结合酸蚀刻制备黑镍涂层的简易方法，实现了30–1500 THz超宽带高效吸收，并利用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散X射线光谱（EDS）映射和X射线光电子能谱（XPS）对材料形貌与化学组成进行表征，同时通过COMSOL Multiphysics全波仿真揭示了其分级结构对宽带吸收的贡献。
实验部分
黑镍涂层的制备
以铜箔（C12500合金，25×25 mm2，厚度40 μm）为基底，经丙酮脱脂、去离子水冲洗后，在含1300 g/L H3PO4与350 g/L NH4NO3的溶液中室温蚀刻30–40秒。电沉积电解液含180 g/L NiSO4·7H2O、10 g/L NiCl2·6H2O、10 g/L H3PO4、14 g/L KH2PO4、20 g/L H3PO3及2 g/L糖精，pH值为2。在60±2°C、阴极振荡频率0.5 Hz条件下，以30 mA/cm2电流密度沉积2小时，获得厚度45±5 μm的涂层，最后在55±1°C的5 M硝酸溶液中蚀刻160秒。
表征技术
采用日立S-4800场发射扫描电镜与Zeiss LEO 1550扫描电镜进行形貌分析；XPS谱通过Thermo Scientific Nexsa G2谱仪采集，使用Al Kα辐射源，并通过电子 flood gun进行电荷补偿。
光学测量
在3–35 THz波段，通过测量涂层与参考样品（碳包覆硅蛾眼结构）的发射谱，基于基尔霍夫定律计算吸收率。在12–120 THz与130–1500 THz波段分别采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）与漫反射光谱（DRS）测量反射率，并依据公式α=1–r换算为吸收率（假设铜基底透射率为零）。
结果与讨论
黑镍涂层的结构与组成
SEM显示涂层呈结节状形态，具有不规则锥形结构（基底直径约5 μm，高约10 μm）及孔隙（图1A–C）。高倍图像显示锥体表面为约50 nm的纳米级粗糙结构（图1D）。EDS映射表明锥体主体为金属镍，表面覆盖厚度不足1 μm的氧化层，且氧化层厚度从锥底向锥尖递增。
XPS分析显示表面层镍含量仅6.5%，氧与碳各占约40%，另含氮、磷等元素（表1）。O 1s谱峰位于532.8 eV，对应C–O–C/O–C=O或P–O–P环境；C 1s谱显示sp3杂化碳（285.7 eV）与C–O–C/O–C=O（288.5 eV）键合，可能与电解液中糖精相关；P 2p谱峰（134.1 eV与135.0 eV）归因于硝酸氧化形成的混合磷酸盐产物；Ni 2p谱包含金属镍（853.3 eV）、Ni2+/Ni3+物种（857.6 eV）及卫星峰（862.9 eV），主峰位移表明镍与磷、碳存在强相互作用。
黑镍涂层的光吸收性能
发射测量显示，在3 THz处吸收率超80%，但在3–20 THz间存在吸收谷（图3蓝线）。在30–120 THz（FTIR测量）与130–1500 THz（DRS测量）波段，吸收率分别达0.985–0.999与0.958–0.972（图3红线与黄线）。吸收性能差异源于测量几何条件不同。涂层的超宽带吸收归因于其分级结构：微米级锥形结构主导低频吸收，纳米级粗糙表面增强高频吸收。
光学响应模拟
COMSOL仿真表明，低频吸收主要源于微米级锥形阵列的周期性结构（图4A）。对比有无介质层（0.8 μm）的镍锥模型，发现介质层影响局部峰值位置（图4A红绿线）。不同几何变体的仿真结果均显示宽带吸收趋势一致（图4B），说明微结构整体形态是吸收主因。高频吸收模拟采用Ni(OH)2纳米颗粒覆盖的镍层（图4C），但吸收率模拟值（>80%）低于实验值，因未同时考虑微锥与纳米结构。多重内反射机制进一步促进吸收（图5），类似蛾眼硅结构的光陷阱效应。
结论
黑镍涂层通过简易电沉积与酸蚀刻工艺，实现了30–1500 THz超宽带高效吸收，性能媲美复杂纳米结构吸收体。其分级结构（微米锥与纳米粗糙度）是宽带吸收的物理基础，结合优异机械化学稳定性，适用于大面积光谱仪器、量子器件热管理、电磁屏蔽及能量收集等领域，为下一代宽带吸收体提供了低成本、可规模化应用的解决方案。
