<address id="pxpdf"><listing id="pxpdf"><menuitem id="pxpdf"></menuitem></listing></address>
<address id="pxpdf"><nobr id="pxpdf"><nobr id="pxpdf"></nobr></nobr></address>

              <form id="pxpdf"><nobr id="pxpdf"></nobr></form>

                  O2分壓和退火對TiO2/SiO2納米多層膜結構和光學性能的影響-項目案例-污水池加蓋-反吊膜|膜加蓋-除臭加蓋-膜結構公司-上海華喜膜結構工程有限公司
                  網站首頁 解決方案 項目案例 新聞動態 膜材介紹 關于華喜 聯系方式 EN
                  首頁 > 新聞動態 > 行業動態

                  O2分壓和退火對TiO2/SiO2納米多層膜結構和光學性能的影響

                  發布時間:2021年11月23日 點擊數:15

                  1 引 言

                  關于利用適用于可見光波的材料制備增透膜或增反膜的研究一直是關注的焦點, 由于它具有廣泛的應用性, 近年更是受到了關注。同時, 受計算機技術和相關軟件設計技術的快速發展影響, 增透膜的研究獲得了極大的提升[1,2,3,4,5]。光學增透膜廣泛的應用于激光器、照相機、攝像機、顯微鏡和太陽能電池等各類元器件上[6,7,8]。在太陽能電池的研究工作中, 如何提高太陽能電池的轉換效率一直是關注的熱點。太陽能電池轉換效率的損失原因之一, 在于表面玻璃擋板對入射太陽光存在10%左右的反射損失。因此, 減少表面陽光反射, 是提高太陽能電池轉換效率的有效途徑之一。

                  太陽能電池表面增透性能的改善主要依靠制備材料、結構設計和制備方法的改進。其中, TiO2和SiO2是具有代表性的太陽能增透膜制備材料, 分別常用作高折射率和低折射率材料, 并相互搭配。所合成的薄膜具有許多突出的優良性能, 如耐磨性好、化學穩定性高和抗腐蝕性強, 同時在較寬的光譜范圍內具有較小的光吸收特性。目前常用的制備太陽能TiO2/SiO2減反層的方法主要采用溶膠-凝膠等化學方法[9,10,11,12,13]但由于這類制備工藝所需時間較長, 且很難在更小的nm尺度上獲得更加致密且符合光學設計的多層增透薄膜系統, 故在制備具有更高減反效果的多層光學薄膜時面臨很大困難。近年, 電子束蒸發等制備技術氧化物納米尺度的光學薄膜, 以其厚度可控性強、沉積速率快和沉積厚度精確可控等優點, 在光學氧化物多層薄膜制備方面取得了很好的效果[14,15,16,17,18,19,20]

                  本文采用電子束蒸發技術, 設計并制備出TiO2/SiO2太陽光多層增透薄膜, 在400~700 nm范圍內實現減反射, 同時對紫外光 (λ<400 nm) 有較強的吸收, 對紅外光 (λ>700 nm) 的透過率也有較大的抑制作用。

                  2 設計理論

                  薄膜中的光損失有吸收和散射兩種方式, 所以實際應用中的有效光強主要源于反射光和透射光。增透膜的設計是利用光的干涉原理, 使通過膜層界面的反射光相互抵消達到減少反射的目的。所以, 只要在被鍍材料的表面鍍一層折射率比基片折射率低的材料, 就可以達到減少反射的目的。對于單層增透膜, 根據兩束光相干時相抵消須滿足

                  n1d1=λo/4 (1)

                  式中:n1d1為膜層的光學厚度;λo為中心波長。所以, 理想單層減反膜的條件是, 膜層的光學厚度為λo/4, 其折射率為入射媒質的折射率和基片折射率兩者乘積的平方根。

                  而多層增透膜是由λo/4或λo/2膜層構成的。當光線從折射率為n0的介質入射到折射率為n1介質時, 在兩種介質的分界面上就會產生光的反射。如果介質沒有吸收, 分界面是一光學表面, 光線垂直入射, 則反射率為R, 如果不考慮吸收, 透射率為T=1-R。對于多層膜情況, 只考慮單層膜中的多次反射, 則對多層膜的特性就可以進行分析, 只要求出選定膜層兩側子膜系的反射系數和透射系數即可。根據光傳輸矩陣法, 在界面KK+1應用邊界條件得到多層介質膜結構可以得到特征矩陣[21,22]

                  [BC]={kj=1[cosδjijsinδjiηjcosδj]}[1ηk+1] (2)

                  式中:δj為第j層的相位厚度, ηj為有效導納, 多層膜和基片的組合導納為Y=C/B, 當光線以角θ入射時, δ=2πλndcosθj。當光垂直入射時, 其透射率

                  Τ=4ηk+1η0(η0B+C)(η0B+C)* (3)

                  根據此原理, 設計了一種在400~700 nm波長范圍內有增透效果的6層介質薄膜結構, 通過在K9玻璃基底上交替沉積特定光學厚度的TiO2與SiO2薄膜, 實現對近似可見光波長區域的增透功能。其中, 理論模型以厚度為0.5 mm 的K9光學玻璃為基底, TiO2顆粒和SiO2顆粒為原料。K9光學玻璃為一種透明的具有平滑表面的穩定性材料, 可以在500 ℃下使用;密度為4.29 g/m3, 熔點為1 850 ℃, 折射率n=2.318;SiO2密度為2.2~2.7 g/m3, 熔點為

                  1 730 ℃, 其折射率與波長有關, 當波長為550 nm時, n=1.459。SiO2薄膜為無定型結構, 但是具有良好的化學穩定性。

                  3 實 驗

                  實驗采用DZS-500型超高真空電子束蒸發沉積系統制備TiO2/SiO2納米多層膜。詳細參數見表1。

                  表1 多層增透膜膜系設計Tab.1 Design for the multilayer AR coatings 導出到EXCEL



                  Structure
                  Substrate
                  Material
                  K9 glass
                  Refractive
                  index n
                  Thickness
                  /nm
                  1 TiO2 2.318 32.5
                  2 SiO2 1.459 251.1
                  3 TiO2 2.318 262.6
                  4 SiO2 1.459 263.7
                  5 TiO2 2.318 242.5
                  6 SiO2 1.459 125.6



                  TiO2和SiO2薄膜厚度的控制, 全由膜厚控制系統自動完成。基底材料選用K9光學玻璃, 經丙酮、乙醇、乙醇和去離子水超聲清洗后烘干以及電離Ar+清洗等預處理方式, 生長石英監控的厚度信號反饋到控制器, 系統自動調節電子槍的功率, 以達到預設的材料沉積速率。因此, 通過時間的設定可以實現對薄膜厚度的控制。在多層介質結構增透膜制備過程中, 沉積溫度為室溫, 基片轉速為20 r/min。在本底真空為1×10-4 Pa的高真空條件下, 進行蒸發鍍膜。蒸發坩堝1號、2號分別盛放高純度TiO2、SiO2粉末;基底和蒸發源距離為40 cm。薄膜沉積前, 對腔室進行電離清洗, 清洗參數為:Ar氣流流量為3.2 sccm, 離子束流為60 mA, 清洗時間為5 min。電子束蒸發沉積薄膜時的工作參數為:本底真空度為1×10-4 Pa, 通O2之后的每組腔室壓強分別為

                  5.0×10-3、7.0×10-3、9.0×10-4、1.1×10-4和1.3×10-4 Pa。電子槍工作電壓為8 kV和6 kV, 束流可以調節。每層膜的沉積時間分別為39、150、150、315、158、291和75 s。沉積得到的樣品分別在OTF-1200X開啟式真空管式爐進行退火處理, 退火溫度為100、200、300、400和500 ℃, 退火時間為2 h。

                  沉積后的增透膜, 利用WGD-88A型組合式多功能光柵光譜儀測試TiO2薄膜在可見光波段的透射率, 并且與計算模擬結果進行比較。利用X射線衍射儀 (XRD, D/MAX 2500) 和美國 Nicolet IR-200紅外光譜儀對樣品進行物相及晶體結構的分析, 并采用美國Ambios XP-2型表面輪廓儀對薄膜的表面均方根粗糙度 (RMS) 、厚度和應力進行測量。

                  4 結果與討論

                  4.1 實驗結果分析

                  圖1 (a) 是優化前的透射率和反射率曲線。設計的投射中心波長為550 nm, 透射率在400~700 nm可見光范圍內達到97%以上。在這個膜系中層數為 8 層, 最小的膜層厚為110 nm, 最厚的膜層為200 nm, 總厚為1 130 nm。從反射率曲線上看, 在400~700 nm范圍內其不足70%, 沒有達到設計指標的要求, 近400 nm波長處的反射率值甚至高于95%。很顯然, 整個反射率曲線帶寬不夠寬, 曲線不平滑。根據Mass軟件對多層膜厚度和層數進行了優化。將層數調整為6層, 實驗參數見表1。與前者設計的膜系相比, 它的膜層厚度要少, 但從圖1 (b) 透射率和反射率曲線上可看出, 在400~700 nm波段范圍內, 其透射率值基本達到要求, 而且曲線相對要平滑了

                  許多。

                  圖2和圖3分別為O2分壓條件下和空氣中退火后經電子束蒸發制備的TiO2/SiO2多層增透膜的透射率曲線。通過比較理論優化的透射率曲線, 可以確定, 真空鍍膜系統所沉積的TiO2/SiO2多層增透膜具有較寬和較高的透過率。扣除了基底影響, 結果顯示, 實際測量得到的透射譜與理論設計的透射譜較為接近。比較圖2、圖3可以看出, 曲線在400~700 nm附近均出現將近90%以上的透射率, 并且在400 nm附近出現透射率超過95%的現象。

                  圖4是TiO2/SiO2多層光學增透膜隨氧分壓改變時的IR圖譜。從圖可以清晰地看出:薄膜組分中, TiO2出現了3 442.33 cm-1和2 861.94 cm-1兩處吸收峰, 隨著O2分壓的增大, O2含量增多, 呈現出結晶含量成分增多的趨勢。薄膜蒸發沉積過程伴隨著大量的O空位的出現, O2分壓的提升有助于改善成膜質量, 提高薄膜致密性。

                  圖1 理論設計的TiO2/SiO2多層 光學增透膜透射率和反射率曲線Fig.1 Transmittance and reflectance of the TiO2/SiO2multilayer AR coatings obtained by theoretical calculation

                  圖1 理論設計的TiO2/SiO2多層 光學增透膜透射率和反射率曲線Fig.1 Transmittance and reflectance of the TiO2/SiO2multilayer AR coatings obtained by theoretical calculation  下載原圖


                  圖2 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 透射率隨氧分壓變化曲線Fig.2 Transmittance of TiO2/SiO2multilayer AR coatings variying with O2partial pressure

                  圖2 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 透射率隨氧分壓變化曲線Fig.2 Transmittance of TiO2/SiO2multilayer AR coatings variying with O2partial pressure  下載原圖


                  圖3 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 透射率隨退火溫度變化曲線Fig.3 Transmittance of TiO2/SiO2multiplayer AR coatings varying with annealing temperature in air

                  圖3 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 透射率隨退火溫度變化曲線Fig.3 Transmittance of TiO2/SiO2multiplayer AR coatings varying with annealing temperature in air  下載原圖


                  圖5顯示了退火前和不同退火溫度下的TiO2/SiO2多層光學增透膜大角XRD圖譜。圖中, 退火前選用的是在5.0×10-3 Pa O2分壓條下的樣品;明顯寬大的衍射峰是X射線穿透薄膜后受基底玻璃彌散衍射的結果。除此外, 無任何衍射峰出現。可以看出, 退火前, 薄膜中的TiO2和SiO2子層均顯示出了完全非晶的結構。這是由于在薄膜沉積過程中基底溫度較低, 使得粒子沉積到基底表面后迅速冷卻, 無法有效的遷移和擴散, 使得離子基本以無序方式排列, 導致不能形成良好的結晶。隨著退火溫度的增加, TiO2出現了微弱的結晶 (110) 峰, 而且在500 ℃范圍內, 退火溫度越高, 結晶峰逐漸增強。這是由于, 熱處理過程使得薄膜原子獲得了足夠的能量, 遷移能和擴散能的逐漸增強, 致使TiO2子層結趨向結晶化。

                  圖4 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 IR圖譜隨氧分壓變化曲線Fig.4 IR spectra of TiO2/SiO2multilayer AR coatings varying with O2partial pressure

                  圖4 TiO2/SiO2多層光學增透膜的 IR圖譜隨氧分壓變化曲線Fig.4 IR spectra of TiO2/SiO2multilayer AR coatings varying with O2partial pressure  下載原圖


                  圖5 TiO2/SiO2多層增透薄膜退火前 和退火不同溫度條件下的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of TiO2/SiO2multilayer AR coatings before annealing and under different annealing temperatures

                  圖5 TiO2/SiO2多層增透薄膜退火前 和退火不同溫度條件下的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of TiO2/SiO2multilayer AR coatings before annealing and under different annealing temperatures  下載原圖


                  圖6給出了TiO2/SiO2多層增透薄膜退火前和退火后多層膜RMS的變化關系。由圖可見, 隨者退火溫度的增加, 薄膜表面的RMS呈現出先減小而后增大的變化趨勢。當退火溫度為300 ℃時, 出現最小RMS只有1.3 nm左右。這說明, 適當的退火溫度, 隨著表面擴散能的增加, 有助于薄膜晶粒的細化, 使得RMS降低。隨著退火溫度過高, 導致晶粒的聚集長大, 缺陷增多, 使得RMS增加。

                  圖6 TiO2/SiO2多層增透薄膜退火前 和退火后方根粗糙度的變化Fig.6RMSroughnesses of as-deposited and TiO2/SiO2multilayer AR coatings before annealing and under different annealing temperatures

                  圖6 TiO2/SiO2多層增透薄膜退火前 和退火后方根粗糙度的變化Fig.6RMSroughnesses of as-deposited and TiO2/SiO2multilayer AR coatings before annealing and under different annealing temperatures  下載原圖


                  圖7是單質膜TiO2、SiO2與TiO2/SiO2退火前后殘余應力的變化的關系圖。殘余應力的計算可由Stoney公式得出。從圖可以看出, 薄膜殘余應力受基底的影響表現為張應力, 且殘余應力隨退火溫度的增加而逐漸增大。這是由于在退火過程中, 多層膜中的TiO2和SiO2非晶層, 粒子的不斷氧化引起

                  圖7 單質膜TiO2, SiO2與TiO2/SiO2退火前后殘余應力的變化Fig.7 Residual stresses of TiO2, SiO2and the TiO2/SiO2coatings before and after annealing

                  圖7 單質膜TiO2SiO2與TiO2/SiO2退火前后殘余應力的變化Fig.7 Residual stresses of TiO2SiO2and the TiO2/SiO2coatings before and after annealing  下載原圖


                  分子體積增大, 張應力增加導致薄膜殘余應力的增加。同時在退火溫度300 ℃以前, 多層膜的殘余應力介于兩單層應力之間, 說明在一定溫度條件下, 多層結構對殘余應力的釋放有一定的緩解作用, 而高于此溫度時, 薄膜在應力的作用下易脫落。 不難推斷出, 一定溫度范圍下的TiO2和SiO2層的互相周期性介入, 很好地抑制了彼此晶粒的不斷長大, 很大程度上釋放了由此聚集的應力。這對提高光學薄膜和基材之間的結合力, 延長薄膜的使用壽命具有很重要積極影響。

                  4.2 實驗條件對TiO2/SiO2多層薄膜增透機理分析

                  4.2.1 O2分壓對TiO2/SiO2多層增透膜的透射率影響

                  由圖3的TiO2/SiO2多層增透膜透射率隨不同O2分壓的透射率變化譜線可以看出, 隨著O2分壓的增加, 多層膜透射率明顯提高, 當O2分壓達到最大1.3×10-2 Pa時, 對400~700 nm范圍內可見光透過率接近95%。這是由于, 蒸發沉積過程中薄膜偏離平衡態生長, 導致其中不可避免地包含有O空位的存在。在隨著O2分壓的增大, 薄膜中O含量逐漸增加, 薄膜中O空位逐漸減少。即薄膜的缺O狀況逐步緩解, IR圖譜顯示O2分壓影響薄膜中TiO2相結構變化, 使得個子層折射率提高, 更接近理論設計的折射率, 從而使TiO2/SiO2多層增透薄膜的透射率提高。

                  4.2.2 退火對TiO2/SiO2多層增透膜的透射率影響

                  對于400~700 nm波長附近的光波, 由圖4可以看出, 退火后的TiO2/SiO2薄膜透射率明顯高于退火前, 但隨著退火溫度的繼續增高, 透射率略有下降。這是因為, 蒸發沉積薄膜過程中, TiO2和SiO2分子到達處于室溫的基底時, 能量驟減, 其沉積原子來不及規則排列, 造成大量的晶格缺陷, 導致光吸收增加, 透過率減小;而在較低的退火溫度處理后的TiO2/SiO2薄膜中, TiO2的呈現出結晶態, RMS顯示其微觀晶粒結構細化, 致密度增大, 對光波的吸收減小, 使得透射率在一定程度上得以提升;而隨著溫度繼續增高, 晶粒聚集長大, 缺陷增多, 影響了子層折射率, 并由于多層膜界面的擴散作用加劇破壞了所設計的多層光學結構最終導致了透射率降低。

                  5 結 論

                  利用Mass軟件, 設計優化并由用高真空電子束蒸發系統在不同O2分壓條件下制備了TiO2/SiO2納米多層膜, TiO2/SiO2多層膜薄膜體系在沉積條件下獲得了很好的寬光譜光學透射性能, 400~700 nm可見光波段內實現較高的增透, 最大O2分壓條件下在可見光譜范圍內透射率接近設計值, 平均透射率達到95%左右。通過一系列測試方法對多層膜退火前后的透射率、組分結構、和退火以后的殘余應力以及表面形貌進行了分析, 實驗發現, 適當的退火溫度能有效的提高TiO2/SiO2多層膜薄膜的透射率。過高的退火溫度導致了RMS的增加以及晶粒的聚集長大使得缺陷增多;同時受退火溫度的影響, 殘余應力逐漸增加, 組分相互擴散加劇使得多層膜界面受到破壞。這些因素最終導致TiO2/SiO2多層膜的透射率逐漸降低。

                  專題報道             more...
                  • 軌道交通中膜結構的應
                    ...

                    查看更多

                  • 膜結構建筑保溫內襯技
                    剛查縣為青海省海北藏族自治州轄縣,青海省措溫波高原海濱藏城演藝中心,作為剛查縣的標志性建筑,演藝中心為直徑50米的圓形建...

                    查看更多

                  • 膜結構幕墻的應用
                    膜結構幕墻是膜結構在建筑外圍護結構的應用,具有膜結構的共同特性和優點:膜結構是一種非傳統的全新結構方式。...

                    查看更多

                  • 膜結構屋面的應用
                    屋蓋是房屋最上部的圍護結構,應滿足相應的使用功能的要求,為建筑提供適宜的內部空間環境。屋蓋也是房屋頂部的承重結構,受到材...

                    查看更多

                  • 膜結構應用于環保工程
                    隨著我國國民經濟飛速發展和市政基礎設施建設全面展開,特別是污水處理廠等環保項目日益增多,其中有相當數量的污水處理廠的厭氧...

                    查看更多

                  • 膜結構在污水處理廠中
                    相當數量的污水處理廠的厭氧池、污泥濃縮池、生物絮凝池等建于居民區、廠區的周邊,污水池的環境、風貌及污水臭味等直接影響人們...

                    查看更多

                  關于華喜

                  硬件實力 質量控制 發展歷程 公司簡介

                  軟件實力 經營理念  解決方案 聯系方式

                  中國華喜建筑網站

                  +021-59198545 400-176-6885 dshx@hxmjg99.com www.365daysofbliss.com 滬ICP備08009856號 使用條款

                  真人平台