二氧化硅气凝胶功能薄膜的制备及其光学性能研究

摘要

溶胶凝胶法制备的二氧化硅气凝胶薄膜不仅折射率小、介电质常数低、热稳定性好，而且具有结构可控、光学性能好、操作简便等优点，可用于减反膜、太阳能电池、建筑玻璃、显示面板、传感器以及集成电路和超声探测器等诸多领域而广受关注。本论文采用有机硅源作为前驱体，在醇溶剂中通过溶胶凝胶法制备二氧化硅溶胶，通过浸渍提拉法分别制备了二氧化硅气凝胶荧光薄膜与减反膜两种功能薄膜。主要研究内容如下:
　　1.采用正硅酸四乙酯(TEOS)作为硅源，乙醇(EtOH)为溶剂，草酸(H2C2O4)为酸催化剂，氨水(NH3·H2O)为碱催化剂，使用酸碱两步催化法制备二氧化硅气凝胶薄膜，TEOS、H2O、EtOH、H2C2O4、NH3·H2O最终摩尔比为1∶7∶4∶0.001∶0.003。所制备的二氧化硅薄膜为无定型材料，是由二氧化硅网络构成。通过比较浸渍提拉法和旋转涂覆法制备的二氧化硅气凝胶薄膜发现，浸渍提拉法制备的二氧化硅气凝胶颗粒粒径分布窄，颗粒粒径在17 nm～37 nm之间，呈现出两端分布少，中值分布多的态势，粒径集中分布在25 nm～31 nm，薄膜表面更为平整均一，粗糙度均方根为276.690 pm，平均偏差为224.801 pm，极差为0.868 nm。使用1000μm/s的提拉速度，制备的薄膜最大透过率达到97.4％，透过率良好。
　　2.采用TEOS作为硅源，EtOH为溶剂，H2C2O4为酸催化剂，NH3·H2O为碱催化剂，通过掺杂罗丹明6G(Rh6G)、罗丹明B(RhB)，使用浸渍提拉法制备二氧化硅气凝胶荧光薄膜，TEOS、H2O、EtOH、H2C2O4、NH3·H2O最终摩尔比为1∶7∶4∶0.001∶0.003。通过掺杂Rh6G、RhB制备的二氧化硅气凝胶荧光薄膜，表面平整均一，染料分子填充包埋在二氧化硅孔洞中，掺杂RhB的荧光薄膜粗糙度均方根、平均偏差、极差均小于掺杂Rh6G的荧光薄膜，比表面积为515.81 m2·g-1，孔径集中分布在16.06 nm处，孔容集中分布在0.019 cm3·g-1，也都小于掺杂Rh6G薄膜，与二氧化硅基质结合更好。掺杂Rh6G、RhB的二氧化硅气凝胶荧光薄膜在紫外可见光区均有较好的荧光响应，染料分子通过静电氢键等作用吸附在二氧化硅孔洞中，染料的荧光光谱发生蓝移。掺杂到二氧化硅气凝胶中含量增大，染料荧光寿命增长。荧光薄膜被激发时，二氧化硅气凝胶能传递能量，比水溶液中荧光强度大。
　　3.采用有机硅源浸渍提拉制备二氧化硅气凝胶减反膜过程中，添加DCCA能有效抑制颗粒生长，使颗粒变小，堆积更为紧密，膜层变薄;还能控制干燥速率，使溶剂脱除更为缓慢，减小孔洞开裂坍塌的可能性，使凝胶网络孔洞更小、有序性更高。使用FORM作为DCCA时，制得的二氧化硅气凝胶薄膜性能优异，比表面积为890.9 m2·g-1，孔径集中分布在22.6 nm处，孔容集中分布在0.69 cm3·g-1，平均透过率可达95.71％，较基片提高5.57％，具有良好的隔热减反性能，且膜层致密、均匀、平整，是理想的隔热减反光学薄膜。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 气凝胶的概述

1．1．1 气凝胶的概念

1．1．2 气凝胶的发展历史

1．2 溶胶凝胶的概述

1．2．1 溶胶凝胶过程

1．2．2 溶胶凝胶过程的影响因素

1．2．3 溶胶凝胶技术的特点

1．2．4 溶胶凝胶薄膜制备技术

1．3 染料掺杂荧光薄膜概述

1．3．1 荧光薄膜的概述

1．3．2 无机有机复合发光薄膜

1．3．3 复合荧光二氧化硅材料的特点

1．3．4 二氧化硅荧光材料的分析应用

1．4 减反膜概述

1．4．1 减反膜的概念

1．4．2 减反膜发展历史

1．4．3 减反膜减反射原理

1．5 本课题研究意义及主要内容

1．5．1 本课题的研究意义

1．5．2 本课题的主要内容

第二章 二氧化硅气凝胶薄膜制备方法

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验使用试剂与仪器

2．2．2 二氧化硅溶胶的制备

2．2．3 二氧化硅气凝胶薄膜的制备

2．2．4 基片清洗

2．3 结果与讨论

2．3．1 水硅比对凝胶时间的影响

2．3．2 醇硅比对凝胶时间的影响

2．3．3 水解时间对水解程度的影响

2．3．4 氨水量对凝胶时间的影响

2．3．5 二氯化硅气凝胶薄膜的SEM图分析

2．3．6 二氧化硅气凝胶薄膜的AFM图分析

2．3．7 水硅比对透光率的影响

2．3．8 硅醇比对透光率的影响

2．3．9 氨水量对透光率的影响

2．3．10 提拉速度对透光率的影响

2．3．11 二氧化硅气凝胶薄膜的IR光谱分析

2．3．12 二氧化硅气凝胶薄膜的XRD光谱分析

2．3．13 二氧化硅气凝胶薄膜的TEM图分析

2．4 本章小结

第三章 荧光二氧化硅气凝胶薄膜的制备及其荧光性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验使用试剂和仪器

3．2．2 二氧化硅荧光溶胶的配制

3．2．3 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的制备

3．3 结果与讨论

3．3．1 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的IR光谱分析

3．3．2 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的XRD光谱分析

3．3．3 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的SEM照片分析

3．3．4 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的AFM照片分析

3．3．5 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的氮气吸附脱附曲线分析

3．3．6 二氧化硅气凝胶荧光薄膜的PL光谱分析

3．4 本章小结

第四章 二氧化硅气凝胶减反膜的快速制备及其减反性能

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验使用试剂和仪器

4．2．2 二氧化硅溶胶的制备

4．2．3 二氧化硅气凝胶减反膜的制备

4．2．4 样品性能测试

4．3 结果与讨论

4．3．1 氟化铵催化制备二氧化硅气凝胶的机理分析

4．3．2 二氧化硅气凝胶减反膜的IR光谱分析

4．3．3 二氧化硅气凝胶减反膜的SAXRD光谱分析

4．3．4 二氧化硅气凝胶减反膜的SEM图分析

4．3．5 二氧化硅气凝胶减反膜的AFM图分析

4．3．6 二氧化硅气凝胶减反膜的氮气吸附脱附分析

4．3．7 二氧化硅气凝胶减反膜的UV-vis光谱分析

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的主要科研成果