光学薄膜制备技术精选(九篇)

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第1篇：光学薄膜制备技术范文

【关键词】薄膜光学；教学方法；教学内容；实践环节

0 前言

薄膜光学是物理光学的重要分支，它以膜层对光的反射、透射、吸收等为研究对象，主要研究光在分层媒质中的传播规律性，已成为现代光学不可缺少的重要组成部分。

《薄膜光学》是我院材料物理专业方向的一门主要专业基础课程。课程内容涉及光学、物理学、化学、材料学等多门学科知识，具有很强的技术性、实践性和应用性。通过该课程的学习，使学生了解光学薄膜的基础理论，掌握薄膜制作方法及相关工艺，熟悉常用薄膜的性能指标及相关的检测方法。培养学生分析问题与解决问题的能力，为进一步学习其他相关专业课以及毕业后从事专业工作打下良好的基础。

在讲授《薄膜光学》课程时，我们发现存在以下几方面问题：第一，公式多，概念抽象，学生难于理解。这是授课过程中普遍存在的问题。第二，学生的学习目的不明确。在学习过程中，学生普遍感到《薄膜光学》课程与材料专业联系不大，因此学习积极性不高。第三，理论内容枯燥，理论与实践脱节。《薄膜光学》课程的改革势在必行。近两年来，在对《薄膜光学》课程特征分析的基础上，我们在教学内容、教学方法、增加实践环节等方面进行了改革与探索，取得了良好的效果。

1 教学内容的改革

高等教育的主要任务是培养创新型人才，同时兼顾创新能力与工程应用能力的有机结合。

材料物理专业是理论性和实践性均很强的专业，强调基础理论知识与工程应用能力相结合，面向新能源与新信息等新功能材料、膜层与功能器件。《薄膜光学》课程内容多，概念抽象，涉及面广，学生学习时感觉难度很大。如果以光学工程专业的教学要求来讲解，很难按大纲要求在 32 学时内讲授完全部内容。如何在有限的课时内让学生熟练掌握薄膜光学的基础原理，成膜方法，加强应用能力的培养，成为本课程改革的关键。因此， 我们根据当前学生就业的实际需求，对课本的内容做了精心筛选，既保证学生对光学薄膜理论有全面的了解，又重点讲解学生将来在实际工作中可能用到的知识内容。在讲授过程中，本着以人才培养为根本，以社会需求为导向，以基础理论和工程应用为核心的理念，紧紧围绕薄膜的基本理论及薄膜设计方法、实用薄膜的制备工艺及方法这一主线来展开。

1.1 薄膜的基本理论

光学薄膜是附着在光学零件表面的厚度薄而均匀的介质膜层。光学薄膜的光学性能集中表现为薄膜界面的分振幅多光束干涉能力。在讲授这部分内容时，注意结合学生专业特点，采用由浅入深、循序渐进的方法，从五光十色的肥皂泡，水面上彩色斑烂的油膜、车灯、眼镜等日常生活中经常接触的自然现象，到电磁场的基本性质、光学薄膜的光学特性计算、膜系的基本定理、非均匀膜、薄膜的形成和结构等逐渐展开，最后讲解减反膜、增透膜、滤光片等介质膜系及其应用。

1.2 薄膜的制备方法及工艺

光学薄膜可以采用物理汽相沉积和化学液相沉积两种方法来制备。化学液相沉积工艺简单，制造成本低，但膜层厚度不能精确控制，膜层强度差。物理汽相沉积常常使用真空镀膜机，制造成本高，但膜层厚度可以精确控制，膜层强度好而广泛采用。在教学过程中，作者以所在的国家重点实验室所使用的真空镀膜机为原型，重点讲述真空系统、热蒸发系统及膜厚控制系统。从真空的获得与检测到热蒸发工艺，学生通过直观的感受，使所学的理论与实践联系起来，达到事半功倍的效果。

除薄膜的制备工艺外，薄膜的制备工艺部分主要侧重影响光学薄膜器件的质量要素和工艺要素，质量要素主要包括光学性能、机械性能和环境稳定性。工艺要素主要是光学薄膜的基本工艺过程，即零件清洁-装零件-抽真空-镀膜-检测等过程。

2 教学方法的改进

2.1 多媒体教学和传统教学的有机结合

在传统板书式教学方法中，教师通过边写、边讲、边示范，实现教师与学生之间生动的感情交流，教师富有感染力的肢体语言，富有魅力的语言表达，使学生寓乐于学之中。但抽象的问题通过传统教学用老师的语言，就显得苍白乏力，在课堂有限的时间内很难让学生理解清楚知识。这就需要板书和多媒体课件的有机结合。例如薄膜基础理论部分采用板书教学，使学生易于掌握公式的推导过程和抽象的理论知识，加深对基础知识的理解；薄膜技术部分采用多媒体课件教学，更多地采用动画效果手段，将信息数字化，把图像、图形、动画、视频、文本、声音等多媒体结合在一起，在有限的课堂时间内以较大信息容量传递给学生，给学生更直观的感受。使学生对镀膜技术的设备和工艺过程有一个感性的认识。制作互动性好的多媒体课件，通过系统特性动态显示过程分析并讲解其成因，使学生掌握知识重点、难点，会收到意想不到的效果。

2.2 尝试翻转式、讨论式课堂教学

翻转式教学模式于2007年起源于美国科罗拉多州一所高中。在翻转课堂式教学模式下，学生课堂外完成知识的学习，而课堂变成了老师学生之间和学生与学生之间交流互动的场所，节省出的课堂时间用来完成作业或给实验过程中有困难的同学提供帮助。

在教学过程中，通常学生的学习过程一般分为两个阶段：第一是知识传授的阶段；第二是吸收和消化的阶段，即知识内化的过程。 传统教学只注重学习过程的第一步即 “知识传递”，并把它放在最重要的环节，也就是课堂教学上；但他们忽略了第二步即“吸收消化”，习惯上都把这一过程，放在缺少帮助的课后环节中。结果本应用于师生互动、同学协作和交流的课堂，常常被教师一个人占用作知识传授。 课堂上，学生通过展示汇报来实现师生的互动，这种师生、同学间的交流互动能促进知识的吸收内化过程，有助于调动学生的学习积极性，抓住学生的好奇心。

我们在教学实践中，针对中国学生的特点，尝试在部分章节采用翻转式教学。使学生在课外完成教学内容的有针对性地、自主地、深度地学习，在完成这一单元的学习后，课堂上以书面测试的形式进行效果评估，然后老师对存在的共性问题让学生进行互动交流，最后集中进行讲解。通过这种翻转式、讨论式教学，能充分调动学生的积极性，使学生在学习中有应用想象力的机会，培养学生独立思考问题的能力。课堂和老师的角色则发生了变化。老师更多的责任是去理解学生的问题和引导学生去运用知识。 因此老师从单向的讲授，改为透过在课堂上提问题与小组互动，启发学生思考与讨论自学知识，结果学生对学习内容理解的正确率大大提高，学习效果也明显改善。

3 增加实践环节

针对《薄膜光学》课程数学公式复杂、计算量大、理论性强等特点，我们将Essential Macleod软件引入到该课程的学习中，利用计算机进行薄膜的辅助设计和分析，对提高学生自己动手解决问题的能力，增强学生学习的积极性，培养学生的创新能力，对提高学生光学薄膜的设计和计算能力有很大的促进作用。

Essential Macleod软件是一套完整的光学薄膜设计与分析软件。除了一般反射和透射计算外，还可以计算吸收及其电场分布，不但能计算器件整体的光学性能，还能具体分析特定膜层的光学性能，能够直观的对器件整体结构进行模拟分析。在软件中可以方便的对器件进行直观的模拟，选择膜层材料，设置膜层参数，选择入射波长。利用软件不仅可以具体的计算薄膜整体的反射率、透射率、吸收率，还能分析具体膜层的吸收及其电场分布，在设计界面中通过改变不同膜层参数，分析对器件活性层吸收的影响。

在课程中引入Essential Macleod软件，主要让学生运用基础理论知识，结合实际的科研项目进行膜层设计。例如，在作者的纵向科研项目中，为了提高有机电致发光器件（OLED）的对比度，常使用光输出耦合层、偏振片、对比度改善层与减反层结合等一系列的方法改善顶发射OLED中的对比度。研究各功能层的作用及对比度得以改善的机理。下面给出一个具体实例。

在顶发射OLED中，为了获得白光发射，通常使用增透膜改善阴极的通过率，抑制微腔效应。实践中，先给出基本的器件结构，指导学生应用Essential Macleod软件，通过改变各膜层的材料及厚度，来优化器件。最后通过学生们的优化，得到较好的模拟结果，如表1所示。器件性能得到很大提升。在420-700nm范围内，平均反射率为1.61%。

学生们通过实践练习，加深了对基础知识的理解，增强了动手能力及解决实际问题的能力。

4 结论

经过近几年的实践探索，《薄膜光学》课程的教学改革，对充分调动学生的学习积极性和创造性，提高学生动手能力以及设计和创新能力，尤其对提高教学质量和教学效果具有很大的推动作用。

【参考文献】

[1]付秀华，刘冬梅.“光学薄膜与技术”课程体系整体优化的研究与探讨[J].长春理工大学学报，2012，7（1）：129-130.

[2]黄云，黄水花，等.“薄膜光学”课程建设探索[J].电子世界，2012，12：174.

[3]卢进军，等.光学薄膜技术[M].西安：西北工业大学出版社，2004.

[4]尹树百.薄膜光学：理论与实践[M].北京：科学出版社，1987.

第2篇：光学薄膜制备技术范文

1实验

实验中薄膜样片是在西安工业大学自行研制的OTID-01型光学薄膜组合沉积系统上制备的。该系统配有电阻热蒸发源、电子枪、脉冲真空电弧离子源和非平衡磁控溅射等薄膜沉积装置,并且配备了一套宽束冷阴极离子源。实验中,DLC薄膜采用脉冲真空电弧离子镀技术来沉积。Ge薄膜采用电子束热蒸发技术来沉积。DLC薄膜的沉积工艺如下:本底真空3•0×10-3Pa,基底温度160℃,主回路电压200V,起弧电压400V,脉冲频率3Hz条件下制备的。Ge薄膜沉积时的基底温度也为160℃,本底真空度为3•0×10-3Pa,采用Ar+离子辅助时的工作真空度为1•0×10-2Pa。实验中为了避免沉积工艺参数对Ge薄膜特性的影响,实验中保持Ge薄膜的沉积工艺不变,而Ge薄膜的掺杂含量主要是通过控制Ge蒸发源上方栅网的开孔率来进行控制。Ge的沉积速率可控制在1•8~6•9nm/min。实验中采用的基底是双面抛光的Si片,在放入真空室之前先对Si片进行清洗。先将Si片放入浓度5%的氢氟酸溶液中浸泡5min,去除表面的氧化物,然后再放入醇醚混合液(3∶1)中,用超声波清洗10min,用去离子水冲洗后再用超纯氮气吹干后放入真空室。镀膜前用氩离子轰击5min。

2实验结果与讨论

2•1薄膜光学常数测试对于薄膜的光学常数测试,首先采用美国J.A.WOLLAM公司的M-2000UI型宽光谱变角度椭偏仪(测量波长范围:0•2~1•7μm),测量并模拟出锗掺杂类金刚石(Ge-DLC)薄膜在0•4~1•7μm波段的光学常数;然后采用傅里叶变换红外光谱仪,测试双面抛光Si基底上单面镀制的Ge-DLC薄膜的样片在1~5μm波段的透射光谱曲线;再利用光学薄膜测试分析软件Matedit,根据透射光谱曲线计算得到Ge-DLC薄膜在1~5μm波段的光学常数。不同锗含量的DLC薄膜的折射率和消光系数随波长的变化曲线分别如图1和图2所示。从图1和图2可以看出:Ge-DLC薄膜的折射率n和消光系数k均大于纯DLC薄膜的n和k,而且随着DLC薄膜中Ge含量的增加而增大。在波长1•6μm处,不同锗含量DLC薄膜折射率的最大差值仅为0•21;消光系数的最大差值为0•015,并且当锗含量为25%时,DLC薄膜的消光系数仅为0•028,而在3μm处,其消光系数仅为0•017,这与热蒸发制备的Ge薄膜的消光系数较接近。这说明掺杂Ge元素对DLC薄膜折射率的影响不大,但DLC薄膜的消光系数会带来一定的影响,这主要是由于锗本身在此波长处存在一定的吸收。从图2中可以看出,随着波长的增加,Ge-DLC薄膜的消光系数会有明显的降低。在红外波段1~5μm之间,掺杂含量在0~25%之间的Ge-DLC薄膜折射率的变化范围为2•46~2•67,消光系数的变化范围为0•040~0•003。图3所示为在双面抛光的Si基片的Ge含量约为8%的Ge-DLC薄膜用傅里叶变换红外光谱仪测试的红外3~5μm波段的透射率光谱曲线。从图3可以看出,Si基底上Ge-DLC薄膜在红外3~5μm波段具有一定的增透效果,在4μm左右,Ge-DLC薄膜的透射率峰值为63•15%。而且从该图还可以看出,Ge-DLC薄膜在该波段内没有明显的吸收峰。

2•2薄膜应力测试

薄膜应力测试采用的是BGS6341型电子薄膜应力分布测试仪,它由测试仪主机、图像采集卡、计算机及其相关附件组成,可用于微电子、光电子等领域,对薄膜的表面平整度、曲率半径及应力分布等进行非接触、高精度的无损检测。测试中要求样片的尺寸为24英寸,实验中所选用的基片直径为3英寸。测试精度:5%(在R=±8m处考核)。BGS6341型电子薄膜应力分布仪是利用位错相移技术,通过测量镀膜前后基底曲率半径的变化,然后通过Stoney公式计算得到薄膜应力大小[17]。式中,E、ν分别为基底的弹性模量和泊松比,ts,tf分别为基底和薄膜的厚度,W(x,y)为基底上某点(x,y)离面位移量。本文中所用硅基底的参数为:E=180GPa,ν=0•26,ts=0•38mm。实验过程中,首先分别测量镀膜前后基底面形的变化,然后通过电子薄膜应力分布仪直接输出薄膜的平均应力值。图4给出了不同锗含量情况下Ge-DLC薄膜的内应力曲线。由图4可以看出,当DLC薄膜中Ge含量约8%时,薄膜的内应力从6•3降至3•0GPa;当Ge含量为14%时,内应力为1•9GPa;当Ge含量为25%时,内应力降至1•0GPa。这说明在DLC薄膜中掺杂Ge,可以有效地降低薄膜的内应力,并且随着Ge含量的增加,DLC薄膜的内应力逐渐减小。

2•3薄膜硬度的测试

本文利用HXD-1000数字式显微硬度计测试薄膜的维氏显微硬度,它主要由壳体、升降系统、工作台、全自动加荷机构、测量显微镜和计算机等组成。显微硬度试验是在一定的加载载荷条件下,把金刚占角锥体压头压入被测物,并保持一定的时间,通过测量卸载后残留压痕对角线的长度,计算求出被测薄膜的硬度。当选用不同的测试压头时,可以分别测量薄膜的维氏显微硬度和努普显微硬度,本文测试DLC薄膜的维氏显微硬度。维氏显微硬度计算公式为式中,HV是维氏硬度值,kgf/mm2;F是试验力,N;S是压痕面积,mm2;d是压痕对角线长度,mm;α是压头相对面夹角,136°。试验力F由于执行法定计量单位“N”,而维氏硬度的单位为“kgf/mm2”,所以在公式中有“0•102”这一系数,即1N=0•102kgf/mm2。在维氏显微试验中为了使用方便,维氏硬度值计算可以直接采用式(3)计算式中,P是试验力,gf;d是压痕对角线长度,μm。目前,普遍利用Johanson-Hogmark模型计算薄膜的本征硬度计算。Johanson-Hogmar该模型采用几何的方法来分离薄膜和基底各自对所测复合硬度的贡献。该模型认为,在压痕内的薄膜已经破裂,因此不再具有承受压头载荷的能力,它只能把力从压头传递给基底材料。这样就只有压痕外沿还没有脆裂的薄膜,才能够影响所测得的复合硬度值。所以,复合硬度值可以用基底和薄膜所承受载荷的面积As和Af的权重关系来表示。复合硬度Hc可表示为式中,Hc是复合硬度,Hs是基底硬度,Hf是薄膜的本征硬度,As和Af分别为基底和薄膜所承受压头载荷的面积,A是总承受面积,且A=As+Af。按照上述模型可以推导出薄膜的本征硬度Hf式中,t/D是薄膜厚度与压痕深度之比,c是几何参数,D约等于d/7(d是压痕对角线尺寸)。当薄膜与基底硬度接近时,c=2sin222°;当薄膜很硬而基底很软时,c=2sin211°。本文中采用c=2sin211°,代入式(5)可计算得到薄膜的本征硬度值。本文中进行薄膜硬度测试时,采用载荷为0•5N,维氏标尺为HV0•05,保荷时间为t=15s,而且每个样品测试3次求平均值,作为复合硬度最终测试结果,然后计算出薄膜的本征硬度。图5给出了不同Ge含量DLC薄膜的硬度。从图5可以看出,当DLC薄膜中Ge含量约8%时,薄膜的硬度从3kgf/mm2减小为3640kgf/mm2;当Ge含量增加至14%时,薄膜的硬度为2836kgf/mm2;当Ge含量为25%时,薄膜的硬度为1858kgf/mm2。这说明DLC薄膜中掺杂Ge后,DLC薄膜的硬度减小,并且当Ge含量大于8%时,DLC薄膜的硬度减小速度明显增加。从图4和图5的结果可以看出,当在DLC薄膜中掺杂Ge时,DLC薄膜的内应力和硬度都会减小,这是由于碳和锗同属第四主族元素,原子核最外层有4个价电子,而且锗是最为常见的半导体材料和光学红外材料。当DLC薄膜中掺杂Ge后,它会取代C原子从而进入到DLC薄膜的晶格中,与碳结合生成sp3键。由于C-Ge键的键能(2•46eV)远小于C-C键的键能(3•61eV),因此锗原子周围的碳键会得到松弛,从而减小了DLC薄膜的内应力,但键能的变小也会使薄膜的硬度有所降低。当DLC薄膜中Ge原子含量较大时,Ge在薄膜中除了形成C-Ge键外,还会形成Ge-Ge键(键能1•69eV),进一步减小薄膜的内应力,但薄膜的硬度也会大幅度的降低,导致DLC薄膜某些力学特性的丧失。通过以上分析可知,当DLC薄膜中Ge含量约8%时,可以减小DLC薄膜内应力的同时,还能够使其保持较高的硬度,此时DLC薄膜的力学特性比较好。

第3篇：光学薄膜制备技术范文

关键词：

二氧化钛薄膜； 退火温度； X射线衍射（XRD）； 原子力显微镜（AFM）； 透射率

中图分类号： O 484.4文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.012

The influence of the annealing temperature on the properties of

titanium dioxide thin film

PAN Changjin， ZHANG Dawei， WANG Jian， LU Zhongrong

（School of OpticalElectrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

In order to obtain good performance of titanium dioxide thin film，this experiment used electron beam evaporation deposition method to fabricate titanium films.Then the films were annealed at 300 degrees，600 degrees，and 900 degrees to improve the performance of the preparation of titanium dioxide thin film.Xray diffraction（XRD），atomic force microscope（AFM） and spectrophotometer were used respectively to study the influence of structure and optical properties of titanium oxide film.The results show that the model of the film at room temperature was amorphous but the films after annealing transformed to rutile which is proportional to the annealing temperature.Annealing could also improve the total light absorption of the titanium dioxide thin film in the 300～1 200 nm spectral range.Annealing treatment could broaden the application of titanium dioxide thin film.

Keywords：

TiO2 thin film； annealing temperature； Xray diffraction（XRD）； atomic force microscope（AFM）； transmittance

引言

自Fujishima等[1]l现二氧化钛半导体的光催化分解水作用起，二氧化钛的应用引起了人们广泛的关注。二氧化钛是一种宽禁带半导体，常见有金红石和锐钛矿两种晶型，若将二氧化钛粒子结晶制成二氧化钛薄膜，它将具备较高的光催化降低有机物活性[2]作用和独特的光学特性等。镀制二氧化钛薄膜的方法主要有：溶胶凝胶法、化学蒸汽沉积法、射频溅射法、等离子沉积法、电子束蒸发沉积等[3]。近年来薄膜被广泛地应用于光电子器件方面，而不同电子器件对所镀制的二氧化钛薄膜性能有着不同的要求，这就使我们更需要对薄膜潜在性能进行探究与提高，以获得符合我们实际需求的薄膜。常见的提高二氧化钛薄膜性能的方法有掺杂修饰（如掺氮、碳或者一些过渡金属）、退火处理等。

本文采用电子束蒸发沉积法制备二氧化钛薄膜，再加上特殊的处理工艺，以获得更加符合我们需求的薄膜，并且利用一些测试技术，来表征退火处理后二氧化钛薄膜的物理结构和光学性能的变化。

1实验与表征

本实验以透明石英玻璃为基底，采用电子束蒸发真空镀膜机镀制二氧化钛薄膜，设置镀膜参数为：本底真空5×10-4 Pa，电压2.1 kV，蒸发速度0.5 A/s，蒸发压强5×10-3 Pa。实验中电子枪灯丝电子束流为220～297 mA，沉积获得的二氧化钛薄膜膜厚为220 nm。将样品放置于马弗炉中进行高温退火处理，设置退火温度分别为300、600、900 ℃，退火时间均为6 h。

在室温条件下进行测试，采用台阶仪（AMBIOS XP1型）测量薄膜厚度。用德国BRUKER，AXS公司的D8 ADVANCE X射线衍射仪（λ=0.154 08 nm）表征薄膜的晶相结构，扫描角度2θ为20°～90°。光学性质表征选用UVVISNIR双光束分光光度计（Lambda 1050，Perkins Elmer），扫描范围为300～1 200 nm，步长值为2 nm。表面形貌的表征采用原子力显微镜（XE100，Park Systems），测量范围为1 μm×1 μm。

2实验结果与讨论

2.1原子力显微镜（AFM）三维图谱

常温与不同退火温度下的二氧化钛薄膜AFM三维立体结构如图1所示。

由图1知，常温下与不同退火温度处理后的二氧化钛薄膜均由一次粒子与一次粒子堆积而成的二次粒子构成，它们之间存在着沟壑。它们的大小、排列位置各不相同，具体如下：（1） 常温下，一次粒子密集排列，一次粒子集中堆积形成二次岛型粒子且排列很稀疏，主要集中在x坐标的220～240 nm位置。（2） 退火300 ℃，密集的一次粒子密集度有所增加，且密集处由原来的点状凹陷化作一道道沟壑。岛型二次粒子则几乎消散，变为山型二次颗粒。（3） 退火600 ℃，密集的一次粒子几乎消失，取代出现的是一次粒子堆积而成的山型粒子，外形较为平坦。二次粒子是重新出现的岛型粒子，比常温下的岛型更薄，高度相差不大，密集区域在y坐标的600～1 000 nm，x坐标的0～500 nm位置。（4） 退火900 ℃，此时，600 ℃处理下的山型一次粒子与二次岛型粒子集结成一块，该块状结构粒子布满整个膜层，它们之间的沟壑与600 ℃处理下的沟壑相差不大。

由此可得出，晶粒的平均直径是随着退火温度的增加而加大[4]。

2.2均方根粗糙度

常温与经300、600、900 ℃退火处理后的二氧化钛薄膜的均方根粗糙度Rq如表1所示。

薄膜的均方根粗糙度Rq[5]可表示为

Rq=∑Nn=1（zn-z―）2N-1

（1）

式中：zn为二氧化钛薄膜上某一点膜厚；N为总的二氧化钛晶粒数；z―为薄膜的平均膜厚，且z―=1N∑Nn=1zn。当所测区域确定时，则N、zn和z―跟着确定，由式（1）可知，Rq亦为一定值。Rq表征了被测区域内所有被测量点的厚度涨落的统计结果，Rq值越大，代表被测量区域薄膜厚度涨落越厉害，薄膜表面越粗糙。

由表1可知：与常温相比，300 ℃退火温度下的二氧钛薄膜均方根粗糙度Rq低于常温的，其余温度下的与常温的成递增趋势；常温至300 ℃的薄膜均方根粗糙度下降不大，仅仅下降了0.123 nm，而随着退火温度继续增大，均方根粗糙度变化较大，从300 ℃至600 ℃，均方根粗糙度增大了1.296 nm，从600 ℃至900 ℃均方根粗糙度增大了0.857 nm。

2.3膜层结构

常温与不同退火温度处理下的二氧化钛薄膜X射线衍射（XRD）图谱如图2所示。

从图2可知，常温下薄膜的XRD线中并未出现任何二氧化钛薄膜所对应的特征峰，亦即并未发生晶型薄膜所特有的布拉格衍射，故此时薄膜为非晶型薄膜。又据300、600、900 ℃退火处理后的薄膜XRD可知，经300、600、900 ℃退火处理后，薄膜由原来的非晶型状态转化为金红石型[67]（此处的金红石型110晶面即图中R（110）对应的角度为2θ=26.2°，与标准的角度有差异，这可能是因为金红石型晶面缺陷造成[5]）。由特征衍射峰之峰值随退火温度呈现递增之关系可知，金红石晶粒随着退火温度加大而增多。

又据Scherrer公式[8]

D=ΚλBcosθ

（2）

式中：D为薄膜的平均粒子直径；θ为特征衍射峰出现的角度；K为Scherrer常数；B为衍射峰的半高宽。故直径D与角度θ成正比、与半高宽B成反比。而从图2知，衍射峰半高宽B随着退火温度的升高，逐渐减小，衍射峰出现的角度θ不随退火温度而变。由此可得，薄膜的平均粒子直径随退火温度的升高而增大，这与AFM三维图观察到的结果相符。

2.4薄膜的光学性能

常温与在300、600、900 ℃条件下退火处理后的二氧化钛薄膜透射率曲线如图3所示。

由图3可知，常温下及300、600、900 ℃退火处理下的薄膜，透射率曲线随波长呈现有时增加有时减小的波浪线。这是因为当光波进入薄膜时，在薄膜的上表面与下表面透射出来的光波相互叠加，即发生光的干涉，使得透射率出现此变化。另外，还可依据此图谱运用紫外可见光干涉知识来估算薄膜的厚度[910]。

在透射率极大值和极小值出现之时，所对应的波长随着退火温度的增大逐渐减小。而在此范围，透射率变化差值亦随着退火温度的增大而加大，900 ℃退火的薄膜加大的最明显。

从曲线与水平轴围成的面积可知，随退火温度的增大，面积依次减小，故薄膜对波长300～1 200 nm的光波总透射率逐渐减小。且最小光强透过率依退火温度增大而减小，900 ℃退火的薄膜减小的程度最大。由于二氧化钛薄膜的吸光度（吸光度A表征物质对光的吸收程度，透射率T，A=-lgT）与透射率成反比，故二氧化钛薄膜对300～1 200 nm的光波总吸光度随退火温度的升高而增大，且900 ℃增幅最大。对所有薄膜的透射率而言，若以波长为408 nm的光波入射至900 ℃退火的二氧化钛薄膜，出现最小光强透过率，其值为46.23%。当以波长为898 nm之光波入射于常温下的二氧化钛薄膜，此时将产生最大光强透过率，其值为92.84%。

3结论

使用电子束蒸发沉积制备二氧化钛薄膜并对薄膜进行300 ℃、600 ℃退火处理后，得到的薄膜对可见光具有很高的透射率且具有亲水性和强氧化性，故它们是用于汽车、房屋玻璃上的绝佳材料。退火900 ℃处理二氧化钛薄膜，会使得薄膜的吸光度大大提高，即大大提高了光能的吸收率，此薄膜可用作太阳能电池的薄膜电极。当在300 ℃以上退火处理，且退火时长为6 h，薄膜的晶型结构将由常温下的非晶态结构化作金红石结构，这与文献[11]中500 ℃退火处理仍为锐钛矿型结果不同，原因在于退火时长与膜厚不同；金红石成分出现之后，随着退火温度升高，薄膜所含的金红石晶型增多，这与文献[7，12]结果相符。

参考文献：

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第4篇：光学薄膜制备技术范文

我国发展支持节能减排的化工新材料，主要是发展以下3类：高性能化、功能化通用聚合物材料，节约能源提高能效的化工新材料以及利用可再生能源的新材料。1.发展高性能化和功能化通用聚合物材料发展支持节能减排的化工新材料，首先是要发展高性能化、功能化通用聚合物材料，提高通用聚合物材料的性能，实现材料使用减量化，延长材料使用寿命。例如有机高分子材料就是一种高能量密度材料，其中通用聚合物材料产量大，应用面广。2011年，我国仅聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、丙烯-丁二烯-苯二烯（ABS）等合成树脂的产量达到4798万t。提高材料的性能和功能化水平，对材料使用合理化、减量化、延长使用寿命有重要作用，可以明显减少凝结在材料中的资源和能源消耗，如现代农业中使用地膜通过提高强度减薄一半，大棚膜寿命延长一倍，其节材节能效果就高达50%。通用聚合物材料高性能化、功能化的技术路线主要有以下4种：①增加或改变共聚单体或调整共聚单体的比例。如气相法或溶液法聚乙烯用丁烯-1做共聚单体改变成用己烯或辛烯共聚；丙烯与丁烯共聚生产高透明丙-丁共聚聚丙烯；调节醋酸乙烯含量，生产各种比例乙烯-醋酸乙烯共聚物。②开发新催化体系或改进现有的催化体系。如开发新外给电子体与氢气和共聚单体共同调节聚丙烯的分子结构，生产新牌号聚丙烯材料；采用茂金属催化体系取代齐格勒-纳塔催化体系，生产新牌号聚乙烯、聚丙烯产品。③开发新聚合工艺与反应器实现传统合成材料的高性能化。如双反应器或多反应器串联工艺，生产双峰分布的性能更优异的聚烯烃产品；采用气相法带预聚合的卧式反应器串联工艺以更低的能耗生产均聚、无规共聚、共聚聚丙烯，尤其共聚产品分子链中允许有更高的橡胶相含量，因此有更高的抗冲击性能；开发溶液聚合工艺生产具有优异耐热性、强度、韧性的聚丁烯-1；采用溶液聚合工艺生产的丁苯橡胶也是一种适合生产节能环保轮胎的新胶种。④共混或接枝改性提升通用聚合物合成材料的性能。如2种或多种聚合物共混改性；纳米材料共混改性；聚合物接枝改性。2.发展节约能源提高能效的化工新材料我国单位GDP的能源消耗与国外先进水平有明显差距（见表3）。这与我国产业结构中第三产业比例低有关，更和我国能源使用效率低有关。为此，发展节约能源提高能效的化工材料应该受到重视，主要包括：提高汽车能效的化工新材料、建筑物节能材料和低能耗照明灯具材料。（1）提高汽车能效的化工新材料提高汽车能效的化工新材料有：汽车轻量化的化工新材料、高性能用材料和绿色轮胎用合成橡胶材料。①汽车轻量化的化工新材料包括低成本碳纤维及其热固性和热塑性复合材料，塑料油箱专用的聚乙烯、EVOH（乙烯/乙烯醇共聚物），替代挡风玻璃的高透光、高强、高韧聚合物，汽车专用聚丙烯等各种合成树脂材料。②高性能用材料包括聚-烯烃类、茂金属聚-烯烃、烷基萘等基础油，以及改进油粘度指数、耐磨性、氧化安定性等性能的各类添加剂。③绿色轮胎用合成橡胶材料包括可降低轮胎滚动阻力、提高耐磨性和抗湿滑性的绿色轮胎用合成橡胶材料，包括溶聚丁苯橡胶、稀土异戊橡胶、丁二烯、异戊二烯、苯乙烯共聚的集成橡胶等。（2）建筑物节能材料建筑物节能材料包括：适合建筑物隔热保温的聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯等基材；无公害阻燃技术生产的聚合物发泡墙体材料；长寿命隔热隔音建筑物门窗结构材料、密封材料。（3）低能耗照明灯具材料低能耗照明灯具材料包括：白色发光二极管（LED）材料、有机光半导体（OLED）材料。①白光LED材料在LED材料中，与太阳光一致的白光LED用途最广泛。白光LED用荧光粉用绿、蓝、红三色荧光粉混配而成。要求开发具备高辉度、高演色性、温度消光特性和良好的色彩再现性的三色荧光粉。②OLED材料OLED材料主要包括：OLED照明用耐老化底衬薄膜、有机发光材料、高透光耐老化面层薄膜。3.发展利用可再生能源的新材料利用可再生能源的新材料主要包括：太阳能热发电用材料、太阳能光伏电池材料、风力发电用材料和储能材料。（1）太阳能热发电用材料太阳能热发电用材料包括：可替代玻璃的耐老化、高强度、高韧性聚合物基材，涂敷用反射层材料。（2）太阳能光伏电池材料太阳能光伏电池材料包括：电池效率更高（＞20%）的晶硅材料；长寿命的组件材料，如可以替代玻璃或金属的更低成本的轻量化、耐老化聚合物材料；有机薄膜太阳能材料，如耐光热老化的背板薄膜材料，有机光电转换材料，耐老化光学薄膜和封装材料等。（3）风力发电用材料目前，风力发电呈现出了发电机功率越来越大、海上风电场快速发展、叶片长度不断增加（已达120m）以及材料从玻璃纤维向碳纤维转化等特点。适应风电发展，要开发以下化工新材料：复合材料用新型树脂材料，如环氧树脂聚双环戊二烯树脂；风力发电机用高性能绝缘材料、材料、密封材料；海上风电机组防腐涂层材料。（4）储能材料由于太阳能发电和风力发电的突出问题——电力输出不稳定，对电网的安全可靠运行影响大，所以发展分散式电能储存装备是一项可行措施。钠硫电池、全钒电池、锂电池是适合不稳定电能储存的3种主要的分散式储能装置，电池材料包括电解液、负极材料、正极材料、隔膜材料。为了适合储能或动力性要求，电池要不断提升能量密度、缩短充放电时间、提高循环寿命、改善安全性，因此必须不断改善材料性能，开发新材料和新体系电池，如锂硫电池、锂空电池等。

二、发展服务环境保护的化工新材料

我国发展服务环境保护的化工新材料，主要是要发展用于废气处理的新材料，发展用于污水深度处理实现污水回用的膜材料和脱除污水中难降解有机物和重金属的材料，以及发展生物基可降解的高分子材料。1.发展用于废气处理的新材料我国在治理大气污染的过程中，必须高度重视工业过程排放气中烟尘、SO2、NOx、微量有机物的深度脱除。2012年我国消费煤炭35.15亿t，其中发电用煤占49%，其余大部分用于工业窑炉。目前，全国500多万台工业窑炉中95%使用煤炭做燃料，煤炭燃烧产生的烟气中有一定量颗粒污染物、SO2、NOx，因此，烟气深度除尘、脱硫、脱硝是治理大气污染的最重要措施。此外，一些工业过程也会产生含尘尾气，必须进行除尘处理；一些工业过程还会有含有微量有机物的尾气排放。汽车尾气中会有微量没有充分燃烧的烃类和一氧化碳。（1）重视开发过滤除尘材料为了满足工业过程排放气体除尘的要求，必须要重视开发和发展适合不同温度环境的过滤除尘材料，如芳纶、芳砜纶、聚酰亚胺纤维，以及与纤维织物复合的多孔聚四氟乙烯薄膜。（2）重视开发新型脱硝催化材料为了实现工业过程尾气的深度脱硝，要重视新型脱硝催化材料的开发与生产，包括适合不同温度尤其是低温条件下具有高活性的脱NOx催化剂、高效脱NOx催化剂的低阻力降载体。（3）重视开发工业过程排放气及汽车尾气净化材料工业过程排放气中有机污染物及汽车尾气净化材料，包括：催化燃烧法脱除工业排放气中微量有机物的高活性催化剂，尤其在低温下具有良好活性的催化剂；能满足第5阶段、第6阶段汽车尾气排放要求和低贵金属含量的汽车尾气高效转化催化剂及载体。2.发展污水处理材料我国淡水资源总量为28000亿m3，仅占全球6%，人均占有2200m3，为世界平均水平的1/4，美国的1/5，列世界第109位。我国水资源的时间空间分布又很不均匀，北方地区淡水资源只有南方的1/4，全国有45%的国土面积年降水量小于400mm，且降水集中在6～9月，属干旱缺水地区，全国669个大中城市有400多个城市常年淡水不足，严重缺水城市有108个，北京人均占有水资源量仅为世界人均的1/13，还不如一些干旱的阿拉伯国家。我国不仅水资源十分贫乏，而且还有大量的工业污水、养殖业污水和生活污水。为此，我国要针对自身水体污染的现状、实现污水深度处理回用的要求，发展用于水处理化工新材料。诸如，我国要开发用于污水深度处理、实现污水回用的膜材料，发展脱除污水中难降解有机物和重金属的材料。（1）水处理膜材料水处理膜材料，包括提高污水处理效率的膜生物反应器用膜材料、污水深度处理用膜材料。在污水的深度处理方面，超滤与反渗透结合可以对污水深度处理，实现污水回用；另外，要发展高通量、高选择性的超滤膜、反渗透膜，包括膜用材料（如醋酸纤维素、芳香族聚酰胺）和膜的骨架织物材料、膜组件材料。（2）脱除污水中难降解有机物和重金属的材料脱除污水中难降解有机物和重金属的材料，包括可见光条件下催化分解废水中有机物的石墨烯基催化材料（石墨烯-ZnFe2O4）、可脱除水中重金属和有机小分子的纳米纤维亲和膜。3.发展可降解生物基材料通用塑料的使用带来了白色污染，而开发生物基可降解高分子材料是消除白色污染的重要途径。生物基可降解高分子材料主要有以下3类：（1）聚乳酸聚乳酸是利用生物质生产的可降解聚合物中生物碳利用率最高的高分子材料，被称为21世纪最有发展前景的高分子材料。但是，聚乳酸存在玻璃化温度低、加工过程容易降解、热性能差等缺点。近年的研究已发现，在聚L-乳酸中掺入少量聚D-乳酸可以解决热性能差的缺陷，提高聚乳酸的使用性能。（2）聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸对苯二甲酸丁二酯(PBTS)利用生物质生产丁二酸，丁二酸加氢生成丁二醇，利用丁二酸、丁二醇和PTA作为单体生产的PBS、PBTS，是使用性能较好的生物基高分子材料。（3）其他除了以上2类可降解生物基材料，还有利用生物质或部分利用生物质资源的新型可降解高分子材料，如聚羟基脂肪酸酯（PHA），CO2和环氧丙烷、环氧乙烷共聚得到的脂肪族聚碳酸酯、聚-己内酯（PCL），PCL改性聚合物。

三、我国化工新材料发展中存在的问题与对策