真空蒸发制备三氧化钨气致变色薄膜的方法

摘要

本发明涉及薄膜制备方法，特别是一种真空蒸发制备三氧化钨气致变色薄膜的方法。其特征在于包括以下步骤：清洗基片；将三氧化钨粉末或粉末压片放入电子束蒸发器真空室的坩埚中，将铂丝放在电阻式加热源上，并将清洁的基片固定在样品架上；用电子束加热使三氧化钨升华并沉积在基片上。真空镀膜机真空室压力为10－2－10－3Pa，真空室温度约200－300℃，电子束流0.1－0.2mA；通过电阻加热蒸镀一层铂催化层。真空室压力5－6.5×10－3Pa，真空室温度为200－300℃，阻蒸电流在120－245A之间。本发明具有成本低，方法简单，薄膜质量好，均匀，变色响时间短等优点。

说明书

本发明涉及薄膜制备方法，特别是一种真空蒸发制备三氧化钨气致变色薄膜的方法。

所谓气致变色薄膜，是指当该薄膜先后与一定种类的气体接触时，薄膜透光率可发生可逆变换。可将镀膜玻璃(三氧化钨薄膜在内侧)与另一平板玻璃四周粘合制成中空双层玻璃结构的气致变色器件，当向玻璃夹层中通入低浓度氢气，薄膜由浅黄色变成深兰色，器件透光率下降，再通入空气时，薄膜的颜色和透光率复原。这种气致变色器件可人为地调节光线的透过，可用做智能门窗，也可用于广告牌、显示器件等。

气致变色薄膜通常由一层过渡金属氧化物薄膜(如氧化钨、氧化钼等)和一层催化剂薄膜(如铑、钯、铂、镍等)组成。其中氧化物薄膜以氧化钨最为理想(变色范围宽)，催化剂以铂的效果最好。现有技术中，氧化钨薄膜通常采用溶胶-凝胶、磁控溅射等方法制备，再通过电阻加热在三氧化钨薄膜上蒸发一层铂作为催化剂层。溶胶-凝胶法成本低，方法简单，但薄膜质量不佳。磁控溅射法制备的薄膜质量较好，但靶材制备复杂，且薄膜过于致密，变色响应时间长。以三氧化钨粉末为原料，用电子束加热升华在玻璃基片上沉积三氧化钨薄膜，所制取的薄膜均匀致密，附着力强，表面硬度高。

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足之处，提供一种本发明成本低，方法简单，薄膜质量好，均匀，变色响时间短的一种真空蒸发制备三氧化钨气致变色薄膜的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种电子束加热制备气致变色三氧化钨薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)清洗基片；

(2)将三氧化钨粉末或粉末压片放入电子束蒸发器真空室的坩埚中，将铂丝放在电阻式加热源上，并将清洁的基片固定在样品架上；

(3)用电子束加热使三氧化钨升华并沉积在基片上。真空镀膜机真空室压力为10^-2-10^-3Pa，真空室温度约200-300℃，电子束流0.1-0.2mA；

(4)通过电阻加热蒸镀一层铂催化层。真空室压力5-6.5×10^-3pa，真空室温度为200-300℃，阻蒸电流在120-245A之间。

第(1)步所说基片材料可为玻璃、陶瓷或金属基片的不洁将影响薄膜与基片的附着力及影响薄膜的纯度，因此，必须经过清洗后镀膜，三氧化钨粉末的纯度将影响薄膜的纯度，本发明至少采用分析纯的三氧化钨粉末，或将粉末制成压片，作为蒸发物质。第(2)步所说的三氧化钨粉末的纯度至少为分析纯，铂丝纯度至少为99.99％，所说的坩埚材料为紫铜，电阻式加热源为螺旋状的双股钨丝，并将铂丝缠在钨丝上，薄膜的致密度随蒸发速率的降低而降低，而蒸发速率随蒸发源的温度升高而升高、随真空室气压升高而降低。本发明需要制备结构比较疏松的三氧化钨薄膜，主要通过调节真空室气压和电子束束流来调节蒸发速率。第(3)步控制三氧化钨膜层厚度为100nm-1000nm，真空室压力控制在10^-2～10^-3Pa之间，电子束束流在0.1～0.2mA之间，薄膜的变色程度随薄膜厚度增加而增加，步骤(3)所说的三氧化钨薄膜厚度可根据需要控制在100nm-1000nm之间，第(4)步控制铂膜层厚度在15-40nm，逐渐升高阻蒸电流采用螺旋状钨丝为加热源，所说蒸镀铂的方法是在一定的真空室压力下(5-6.5×10^-3Pa)，通过调节阻蒸电流来控制蒸发源的温度，为使钨丝不会因为温度过高而熔断(在高温下，钨丝受到铂的影响，熔点降低)，开始蒸发时，阻蒸电流较小，然后逐渐升高阻蒸电流，并将其值控制在120-245A之间。所说的铂层的厚度在15-50nm之间。

三氧化钨薄膜器件在通入含有微量氢气的惰性气体时将发生还原反应，从无色逐渐变为蓝色；而通入氧气或空气时又逐渐变为无色。这是三氧化钨中的W在铂作为催化剂时分别在氢和氧的作用下发生了可逆变价变化的缘故，即氧化还原反应。这个变化过程是与薄膜的厚度和结构、器件的结构和反应气体浓度及流量等因素密切相关。为了确保使用安全，一般控制混合气体中氢气的浓度小于5％。

本发明以三氧化钨粉末为原料，用电子束加热升华在玻璃基片上沉积三氧化钨薄膜，再通过真空蒸发设备在三氧化钨薄膜上蒸发一层铂作为催化剂层。所制取的薄膜均匀，变色响应时间短。

本发明的具体工艺步骤包括：

(1)清洗基片。

(2)将三氧化钨粉末或粉末压片加入真空室的坩埚中，将铂丝放在电阻式加热源上，并将清洁的基片固定在样品架上。

(3)用电子束加热使三氧化钨升华并沉积在基片上。真空镀膜机真空室压力为10^-2-10^-3Pa，真空室温度约200-300℃，电子束束流0.1-0.2mA。

(4)通过电阻加热蒸镀一层铂催化层。真空室压力5-6.5×10^-3pa，真空室温度为200-300℃，阻蒸电流在120-245A之间。

实施例一

(1)选择平板玻璃为基片，清洗。(2)将分析纯的三氧化钨粉末放入电子束蒸发器真空室的坩埚中，将纯度为99.99％的铂丝缠在螺旋状钨丝上，并将清洁的基片固定在样品架上。(3)用电子束加热使三氧化钨粉末升华并沉积在玻璃基片上。真空镀膜机真空室压力为10^-2-10^-3Pa，真空室温度约200-300℃，电子束束流在0.1-0.2mA之间。石英振荡器在线监测薄膜厚度，控制薄膜厚度为500nm。(4)通过电阻加热蒸镀一层铂催化层，真空室压力5-6.5×10^-3Pa，真空室温度为200-300℃，阻蒸电流在120-245A之间。石英振荡器在线监测薄膜厚度，控制铂薄膜厚度为20-30nm。

本例所制成的薄膜在340nm-1100nm处的透光率可由80％降至40％，着色时间为20-30秒，褪色时间为1-2分钟。

实施例二

与实施例一不同的是三氧化钨薄膜厚度为1000nm。

本例所制成的薄膜在340nm-1100nm处的透光率可由80％降至15％，着色时间为20-30秒，褪色时间为1-2分钟。

实施例三

与实施例一不同的是铂薄膜厚度为40-50nm。

本例所制成的薄膜在340nm-1100nm处的透光率可由70％降至40％，着色时间为20-30秒，褪色时间为1-2分钟。