減反射和自清潔功能薄膜的制備與表征.pdf

1、提高太陽光的入射比例、減少界面表面損失以及使用過程中的維護(hù)成本是提高太陽能利用效率的有效途徑，通過選擇合適的材料在襯底表面制備具有減反射和自清潔性能的復(fù)合功能薄膜可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，適宜的材料是TiO2。TiO2薄膜的制備方法中，直流磁控濺射(DMS)技術(shù)因具有功率綠色環(huán)保、參數(shù)調(diào)控精確簡(jiǎn)便、可以低溫快速沉積制備多種薄膜以及可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可方便的制備多種與襯底結(jié)合緊密的薄膜。為提高制備薄膜的性能，本文對(duì)傳統(tǒng)的DMS技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，研制了能

2、量過濾磁控濺射(EFMS)技術(shù)，通過控制濺射粒子的能量及入射角度提高成膜質(zhì)量。本論文利用DMS和EFMS技術(shù)制備了TiO2薄膜以及摻雜Al2O3的TiO2薄膜，研究了其結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和光催化性能的變化規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)研制了具有減反射和自清潔功能的薄膜，主要研究?jī)?nèi)容有:
　　(1)優(yōu)化了TiO2薄膜制備參數(shù)，發(fā)現(xiàn)沉積溫度為100℃-400℃、沉積壓強(qiáng)為0.75 Pa-3.0 Pa、沉積時(shí)間為60 min-150 min、氧氬比為1

3、∶6-1∶10、濺射功率為148 W-443 W范圍內(nèi)制備的TiO2薄膜都為單一的銳鈦礦結(jié)構(gòu)，沒有出現(xiàn)其他結(jié)構(gòu)。隨著沉積溫度的升高、沉積壓強(qiáng)的降低、沉積時(shí)間的增加、氧氬比的減小和濺射功率的增加，薄膜的結(jié)晶性變好，平均晶粒尺寸減小。300℃時(shí)薄膜的沉積速率最大。沉積壓強(qiáng)增加，沉積速率變小。氧氬比越小，沉積速率越大。濺射功率增加，沉積速率變大。
　　(2)研究了制備參數(shù)對(duì)TiO2薄膜透射率、折射率、消光系數(shù)和光學(xué)帶隙等光學(xué)特性的影響，

4、發(fā)現(xiàn)薄膜的平均透射率在制備溫度為300℃時(shí)達(dá)到最大，溫度降低或者升高透射率都有所降低。沉積壓強(qiáng)增加，平均透射率變大。60 min-150min沉積時(shí)間內(nèi)，平均透射率在90 min最小。氧氬比降低，平均透射率降低。濺射功率增加平均透射率增加。TiO2薄膜的折射率隨著沉積溫度升高、沉積壓強(qiáng)降低、氧氬比增加和濺射功率增加而增加。60 min-150 min沉積時(shí)間內(nèi)，折射率在120 min最大。低折射率銳鈦礦TiO2薄膜的優(yōu)化制備條件為:沉積

5、溫度:100℃;壓強(qiáng):3.0 Pa;氧氬比:1∶6;時(shí)間:90 min;功率:295W
　　550nm處薄膜的折射率為2.06。TiO2薄膜消光系數(shù)在大于400nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)為零，為透明無吸收薄膜。光學(xué)帶隙在制備溫度為300℃時(shí)最大，隨著沉積壓強(qiáng)、沉積時(shí)間增加、氧氬比降低和濺射功率增加，薄膜的光學(xué)帶隙由小變大。500℃退火后的TiO2薄膜的結(jié)晶性變好，透射率降低，折射率變大，光學(xué)帶隙變大。
　　(3)對(duì)比研究了EFMS與D

6、MS技術(shù)，研究了EFMS技術(shù)中過濾電極對(duì)薄膜的影響，發(fā)現(xiàn)EFMS技術(shù)制備的TiO2薄膜表面較DMS技術(shù)平整、均勻，平均晶粒尺寸小，折射率高，光學(xué)帶隙增加。DMS技術(shù)制備的TiO2薄膜光學(xué)帶隙為3.04 eV，而EFMS技術(shù)制備的TiO2薄膜光學(xué)帶隙為3.22 eV。隨著過濾電極目數(shù)的增加，薄膜的結(jié)晶性變?nèi)?，表面晶粒尺寸變小，沉積速率降低，平均透射率變小，折射率增加，光學(xué)帶隙增加。
　　(4)研究了制備參數(shù)對(duì)TiO2薄膜光催化性能的

7、影響，找到最佳光催化性能的制備條件，分析了光催化反應(yīng)機(jī)理。發(fā)現(xiàn)參數(shù)為100℃、3.0 Pa、90 min、1∶6和295W制備的TiO2薄膜具有最好的光催化活性，對(duì)RhB的光催化降解速率為-0.0034 min-1。EFMS技術(shù)中用60目和120目電極制備的TiO2薄膜的光催化降解速率增加，分別為-0.00493min-1、-0.00486min-1，目數(shù)繼續(xù)增加，TiO2薄膜的光催化性能降低。
　　(5)研究了摻雜不同比例的Al

8、2O3對(duì)TiO2薄膜的結(jié)構(gòu)、光學(xué)特性和光催化性能的影響，發(fā)現(xiàn)摻雜后薄膜的結(jié)晶性變差，沉積速率增加，折射率降低，光催化活性有所降低，分析了機(jī)理及原因。
　　(6)利用DMS和EFMS技術(shù)制備了折射率梯度變化的TiO2薄膜。結(jié)合表層TiO2薄膜的折射率和光催化性能，確定表層薄膜的制備條件為100℃、3.0 Pa、1∶6和295W。根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)原理計(jì)算出底層高折射率TiO2薄膜需滿足的條件，選擇過濾電極為460目的EFMS技術(shù)制備底層薄

9、膜，將各層材料的折射率輸入TFC膜系設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)出滿足要求的減反射薄膜。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制備了單質(zhì)TiO2單層、雙層減反射薄膜，摻雜Al2O3的TiO2單層、雙層減反射薄膜，表征并分析了薄膜的減反射及自清潔特性。結(jié)果表明雙層減反射薄膜的減反射和自清潔特性均優(yōu)于單層薄膜，同質(zhì)TiO2雙層減反射薄膜在400n m-800 nm的平均透射率為89.1％，降解速率為-0.00337min-1，氙燈光照30 min后接觸角為8°，表層為摻雜Al2O