金屬-電介質(zhì)復(fù)合納米多層膜的結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能.pdf

1、金屬／電介質(zhì)復(fù)合多層膜可以綜合利用貴金屬的高導(dǎo)電性能以及復(fù)合高折射電介質(zhì)通過(guò)誘導(dǎo)透射設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)透明導(dǎo)電紅外反射等功能。因此，在低阻透明導(dǎo)電材料、電磁屏蔽以及熱鏡等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。金屬一電介質(zhì)復(fù)合光帶隙材料(MD-PBG)由于其低阻和靈活的帶隙可控性而受到了廣泛關(guān)注。本文在上海市納米專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目“透紫外隔熱納米多層膜研究”(0452nm067)的資助下，圍繞透紫外隔熱納米多層膜的設(shè)計(jì)制備和熱穩(wěn)定性改善，對(duì)金屬／電介質(zhì)復(fù)合納米多層膜的結(jié)構(gòu)、

2、光學(xué)性能、熱穩(wěn)定性以及相關(guān)的表面、界面問(wèn)題進(jìn)行了研究。 在Kee等人的研究基礎(chǔ)上，計(jì)算分析了非周期金屬-電介質(zhì)(MD)復(fù)合多層膜耦合共振的裂解現(xiàn)象。運(yùn)用緊束縛近似(TBA)分析方法，并類(lèi)比了電子隧穿三勢(shì)壘量子阱機(jī)制，分析了2．5周期MD結(jié)構(gòu)的禍合結(jié)果，并證明了2倍金屬趨膚深度并不是Kee提及的限制腔搭接耦合的臨界厚度。提出以單-F.P腔作為分析基元，計(jì)算證明共用金屬層厚度為兩倍基元金屬層厚度時(shí)，共振透射峰趨于合并，這一點(diǎn)與電子隧

3、穿勢(shì)壘的結(jié)論非常相似。在此基礎(chǔ)上，‘進(jìn)一步分析了(2n+1)個(gè)腔基元耦合共振透射峰的理解規(guī)律。 分析了常用光學(xué)鍍膜材料，并就Ag膜趨膚深度以及常用于金屬材料光學(xué)性能的描述的Drude模型在紫外波段的效性進(jìn)行了分析論證。指出K6stlin關(guān)于傳統(tǒng)熱鏡設(shè)計(jì)膜厚優(yōu)化計(jì)算模型在紫外波段不再適用，而由于束縛電子在紫外波段對(duì)自由電子振動(dòng)的貢獻(xiàn)使得金屬等離子共振頻率降低。因此，紫外波段要考慮束縛電子的lJorentz振子模型。選用非晶1502

4、和Ag作為電介質(zhì)和核心金屬層材料，利用矩陣計(jì)算設(shè)計(jì)優(yōu)選了膜層厚度，設(shè)計(jì)制備了幾組可以實(shí)現(xiàn)透紫外隔熱的納米多層膜。取得了較好的紫外透射和紅外反射的綜合性能，在商用紫外固化特征波長(zhǎng)λ=365nm波段獲得了高達(dá)8l％的透射率，而同時(shí)在1600nm的近紅外波段就可以實(shí)現(xiàn)近90％的反射。指出在采用多周期不同金屬厚度的MD結(jié)構(gòu)時(shí)，即使總的金屬層厚度相同，子金屬層的位置變化會(huì)影響系統(tǒng)的透射性能，因此，MD結(jié)構(gòu)不能像全介質(zhì)結(jié)構(gòu)只考慮總體的光學(xué)厚度(nd

5、)。 由于Ag在TiO<,2>表面往往以三維Volmer-Weber模式生長(zhǎng)，因此，界面結(jié)合很差。Ag薄膜熱力學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)為三維島狀結(jié)構(gòu)，在外界能量的作用下會(huì)發(fā)生結(jié)塊而破壞其連續(xù)性進(jìn)而影響到整個(gè)膜堆的光學(xué)性能。通過(guò)TEM和AFM分析了不同厚度Ag膜在FiO<,2>膜表面的生長(zhǎng)和熱處理結(jié)塊現(xiàn)象，結(jié)合二者的表面能問(wèn)題對(duì)出現(xiàn)的反濕潤(rùn)(dewetting)給出了解釋。為了提高TiO<,2>／Ag／TiO<,2>結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性，本文提出采用

6、前期過(guò)渡元素Ti作為T(mén)iO<,2>／Ag界面的過(guò)渡層。由于Ti的3d層只有2個(gè)電子，而且與氧的親和力比Ag高10倍，而Ti經(jīng)800K保溫60min仍沒(méi)有與Ag發(fā)生反應(yīng)，因此，采用2-3nm厚的Ti膜作為Ag與TiO<,2>的中間層。試驗(yàn)結(jié)果表明，超薄Ti層有效地改善了Ag膜的連續(xù)性和熱穩(wěn)定性。XRD研究表明Ti在沉積態(tài)與TiO<,2>反應(yīng)生成低價(jià)氧化物Ti<,2>O<,3>，因此，對(duì)原始膜堆的光學(xué)性能影響較小，但是由于Ti<,2>O<,

7、3>可以表現(xiàn)一定的金屬性與Ag的界面結(jié)合得到明顯的強(qiáng)化。特別是，經(jīng)過(guò)退火處理后，Ti促進(jìn)了Ag(111)取向的有利發(fā)展，有效地降低了Ag的表面能。 通過(guò)掃描電鏡(SEM)，俄歇深度分析(AES)以及變角橢圓偏振儀(VASE)等手段分析了TiO<,2>／Ag以及TiO<,2>／Ti／Ag界面。分析表明，TiO<,2>／Ag界面沉積態(tài)和退火態(tài)都沒(méi)有界面反應(yīng)物，但是退火后Ag會(huì)擴(kuò)散通過(guò)TiO<,2>層。而TiO<,2>／Ti／Ag界面