超声雾化辅助气相沉积方法制备TiN薄膜及其光电性能研究

摘要

TiN具有本征电阻率低、辐射率低、机械稳定性好等特性,其在低辐射镀膜领域的应用前景十分广泛,但是传统的物理气相沉积、化学气相沉积方法对制备工艺和环境的要求极为苛刻.本文采用超声雾化喷涂方法,以TiN纳米为前驱体,在低温敞开环境条件下成功制备了TiN镀膜玻璃,研究了TiN纳米粉体在有机体系、水体系中分散的稳定性及粒径分布规律,获得稳定性较好、粒径分布小的水体系TiN纳米分散液,研究了前驱体分散液中颗粒粒径对TiN薄膜物相组成、形貌、光学性能以及亲水性的影响. 低辐射镀膜玻璃是在玻璃表面镀由单层或多层银等金属或其他导电性能较好的化合物组成的薄膜体系,对可见光有较高的透射率,对红外光有很高的反射率,因而具有良好的隔热性能,本文选取国内外不同工艺技术制备的10批次镀膜玻璃样品,对其结构与性能进行对比研究,结合理论分析与计算,提出改善薄膜辐射性能的可行性膜结构设计思路. 具体研究结果如下: (1)通过调节溶液pH值,加入Tween80分散助剂结合超声处理,TiN粉体在水溶液中等电点由pH1iep=5.67降低至pH2iep=4.95,粉体表面ζ电位绝对值控制在40mV以上,最佳超声处理时间为30min,可以得到粒径分布在170nm左右的稳定分散液;球磨处理16~20h能够促进分散助剂与粉体的结合,在较高浓度下获得分散粒径小于200nm的稳定分散液. (2)分散液粒径分布对超声雾化辅助沉积的TiN薄膜形貌以及性能具有较大影响.粒径为65nm的TiN分散液沉积得到的薄膜致密均匀.真空热处理后接触角由0°增加至80°,表面O含量和结晶性增加.空气氧化处理得到TiN/TiO2复合薄膜,400℃以上薄膜发生向结晶态TiO2的转变,氧化过程中残留有机物的氧化在表面形成碳化物,对薄膜亲水性产生影响.粒径为170nm的TiN分散液沉积得到疏松多孔的薄膜,具有较强的光学吸收,真空热处理使薄膜由0°接触角的超亲水性转变为153°接触角的超疏水性,薄膜内残留水分和有机分散剂挥发分解,表面非晶态物相TiOxNy逐渐向TiO2转变,分散剂分解表面能降低,形成了超疏水纳米结构. (3)透明导电薄膜的辐射率与薄膜电导率、形貌具有较大的关系,F-离子掺杂可促进(200)晶面的生长、增加薄膜载流子浓度,薄膜厚度增加、粗糙度的降低,能够进一步改善薄膜辐射性能.对现有样品的性能研究结果显示,采用"阻挡层+功能层"的结构设计,保证F-离子的有效掺杂,对结构的调控使薄膜绝对反射率接近全反射曲线以最大限度降低散射的影响,控制制备厚度在600nm以上,表面粗糙度Rq<15nm,电阻率低于6.0×10-4Ω·cm的镀膜玻璃,可以实现辐射率的显著降低. 以上研究结果对于探究改进镀膜玻璃低辐射性能、拓展以纳米分散液前驱体制备薄膜的应用领域、深入研究纳米粉体表面化学状态对薄膜表面特性的影响和具有重要意义.

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摘 要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 低辐射镀膜玻璃的研究概况

1.2.1 薄膜低辐射性能的理论基础

1.2.2 低辐射镀膜玻璃的研究体系

1.2.3 低辐射镀膜玻璃在线制备技术

1.3 TiN薄膜的性能与制备

1.3.1 TiN的结构与性质

1.3.2 TiN薄膜的制备

1.4 超声雾化辅助沉积制备TiN薄膜的研究

1.4.1 超声雾化辅助沉积制备薄膜的原理与特点

1.4.2 TiN纳米分散液制备技术研究及进展

1.5 课题提出及研究意义

第二章 实验部分

2.1 实验原料与实验装置

2.1.1 实验药品

2.2.2 实验装置

2.2 实验步骤

2.2.1 样品制备

2.2.2 实验参数的设定

2.3 计算方法

2.3.1 半球辐射率

2.3.2 遮蔽系数Sc

2.4 表征方法

2.4.1 结构表征

2.4.2 形貌表征

2.4.3 光学表征

2.4.4 表面化学状态表征

2.4.5 电学表征

2.4.6 分散性能表征

2.4.7 亲水性表征

第三章 有机分散液为前驱体的TiN薄膜AACVD方法制备及其性能研究

3.1 PMA-TiN有机分散液性质

3.2 PMA-TiN分散液的AACVD制备TiN薄膜结构与性能研究

3.2.1 TiN薄膜的物相表征

3.2.2 TiN薄膜的形貌表征

3.2.3 TiN薄膜的光学性能表征

3.2.4 TiN薄膜的亲水性表征

3.2.5 超声雾化辅助气相沉积制备TiN薄膜机理

3.3 退火温度对TiN薄膜结构及其性能影响规律的研究

3.3.1 退火温度对TiN薄膜的物相组成和形貌影响规律的研究

3.3.2 退火对PMA-TiN薄膜的光学及亲水性能影响

3.3.3 TiN薄膜表面氧化及亲水性变化过程探讨

3.4 本章小结

第四章 TiN水性纳米分散液及薄膜的制备工艺研究

4.1 TiN纳米粉体性能分析

4.2 TiN水性纳米分散液的制备工艺研究

4.2.1 pH值对TiN水性纳米分散液粒径及稳定性的影响

4.2.2 分散助剂对TiN水性纳米分散液粒径及稳定性的影响

4.2.3 超声及球磨对TiN水性纳米分散液粒径及稳定性的影响

4.3 水性TiN纳米分散液制备TiN薄膜的超声雾化辅助工艺研究

4.3.1 TiN水性纳米分散液制备TiN薄膜的超声雾化辅助工艺研究

4.3.2 TiN水性纳米分散液超声雾化辅助制备TiN薄膜物相研究

4.3.3 TiN水性纳米分散液超声雾化辅助制备TiN薄膜光学性能研究

4.3.4 TiN水性纳米分散液超声雾化辅助制备TiN薄膜亲水性研究

第五章 阴极离子镀TiN薄膜及浮法在线低辐射镀膜玻璃产品调研

5.1 阴极离子镀法制备TiN薄膜及其性能研究

5.1.1 阴极离子镀制备TiN薄膜的成分分析

5.1.2 阴极离子镀制备TiN薄膜的形貌分析

5.1.3 阴极离子镀制备TiN薄膜的光电性能分析

5.2 国内外浮法在线镀膜玻璃产品调研

5.2.1 在线LowE系列薄膜产品

5.2.2 TCO薄膜性能分析

5.2.3 LowE薄膜与TCO薄膜的性能对比

5.2.4 SunE?薄膜性能分析

5.2.5 低辐射性能的理论分析

5.3 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致 谢

个人简历

攻读硕士学位期间发表的学术论文和取得的其他研究成果