高折射率纳米晶TiO2溶胶－凝胶薄膜制备的方法

摘要

一种高折射率纳米晶TiO2溶胶－凝胶薄膜制备的方法，钛醇盐先进行快速水解，然后用无机酸胶溶，在溶胶－凝胶过程中形成晶相TiO2纳米颗粒，从而显著提高目标光学薄膜的折射率。本发明具有操作简单、反应条件温和、大面积无规则镀制、设备成本低和光学薄膜折射率高的优点。

说明书

技术领域

本发明属于TiO₂光学薄膜的制备方法，具体地说是在溶胶-凝胶过程中形成纳米晶TiO₂，然后镀制薄膜，从而明显提高薄膜的折射率的方法。

技术背景

TiO₂具有高度的化学稳定性和高折射率，同时在可见和近红外区域具有高透明度和低吸收，常用做光学薄膜材料，广泛应用于高反射膜、减反射膜、光纤以及波导材料。目前用于制备光学薄膜的方法很多，包括电子束蒸镀、阴极真空喷镀、化学气相沉积和溶胶-凝胶法沉积等。其中溶胶-凝胶法具有以下优点：同质性好、组成容易控制、低温制备和设备成本低。尤其是溶胶-凝胶方法容易实现在不规则形状、不同材料的基底上大面积镀制薄膜。然而，传统溶胶-凝胶方法往往采用鳌合剂与钛醇盐络合，控制钛醇盐的水解、缩聚过程，从而形成交联度较高的疏松的无定形TiO₂溶胶，此TiO₂溶胶镀制的薄膜折射率较低，大大限制了TiO₂作为高折射率材料在光学设备中的应用。

对于同一化学组成材料来说，晶体的折射率一般要远远高于无定形材料，所以如果能够在溶胶-凝胶过程中形成晶相TiO₂将会明显提高薄膜的折射率。

发明内容

本发明目的是提供一种操作简单、低温以及设备成本低的高折射率纳米晶TiO₂溶胶-凝胶薄膜制备的方法。

本发明的目的是这样实现的：首先以大量的水使钛醇盐完全水解，然后加入无机酸胶溶，经过水热过程形成纳米晶溶胶，再以旋涂法镀制高折射率TiO₂光学薄膜。

本发明的制备方法如下：

(1)纳米晶溶胶制备：

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.5～1∶1反应2～10分钟得到透明液体，将该液体滴加到去离子水中，使钛酸四异丙酯与水的摩尔比为1∶80～120，同时强烈搅拌，形成白色悬浊液后，用无机酸调节pH值在1～3之间，然后经过10～30分钟超声处理，在80～160℃反应5～20小时，得到纳米晶溶胶；

(2)光学薄膜镀制：

将纳米晶溶胶在50～80℃下浓缩至TiO₂质量浓度为3～5％，在转速2000～4000rpm之间采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到基片上，继续旋转10～30分钟，所得薄膜在110～120℃干燥10～30分钟。

如上所述的无机酸是HCl或HNO₃。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1.操作简单、反应条件温和；

2.可以在大面积不规则基片上镀制薄膜；

3.镀膜所需设备成本低；

4.纳米晶溶胶镀制的薄膜折射率可达1.9以上。

具体实施方式

实施例1

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.5∶1反应2分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶80，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HCl调节pH值为1，然后经过10分钟超声处理，在160℃反应5小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶50℃下浓缩至TiO₂质量浓度为3％。在转速2000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到K9玻璃基片上，继续旋转10分钟，所得薄膜在110℃干燥10分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9126。

实施例2

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.5∶1反应5分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶100，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HCl调节pH值为2，然后经过15分钟超声处理，在100℃反应10小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶50℃下浓缩至TiO₂质量浓度为4％。在转速3000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到K9玻璃基片上，继续旋转10分钟，所得薄膜在110℃干燥15分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9022。

实施例3

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比1∶1反应3分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶100，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HNO₃调节pH值为1.5，然后经过15分钟超声处理，在150℃反应5小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶80℃下浓缩至TiO₂质量浓度为3％。在转速2000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到石英玻璃基片上，继续旋转10分钟，所得薄膜在120℃干燥10分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9102。

实施例4

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.8∶1反应5分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶120，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HCl调节pH值为2，然后经过30分钟超声处理，在150℃反应6小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶60℃下浓缩至TiO₂质量浓度为5％。在转速4000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到K9玻璃基片上，继续旋转15分钟，所得薄膜在110℃干燥30分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9081。

实施例5

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.8∶1反应5分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶100，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HNO₃调节pH值为2，然后经过15分钟超声处理，在80℃反应20小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶70℃下浓缩至TiO₂质量浓度为4％。在转速3000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到K9玻璃基片上，继续旋转30分钟，所得薄膜在115℃干燥20分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9065。

实施例6

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比1∶1反应10分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶110，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HCl调节pH值为1.5，然后经过15分钟超声处理，在120℃反应8小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶60℃下浓缩至TiO₂质量浓度为3％。在转速2000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到石英玻璃基片上，继续旋转20分钟，所得薄膜在115℃干燥20分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9138。

实施例7

钛酸四异丙酯(TTIP)和乙醇按摩尔比0.5∶1反应5分钟得到透明液体。之后，将该液体滴加到去离子水中，使TTIP与水的摩尔比为1∶120，同时强烈搅拌。形成白色悬浊液后，用HNO₃调节pH值为3，然后经过10分钟超声处理，在150℃反应5小时，得到纳米晶溶胶。

将纳米晶溶胶50℃下浓缩至TiO₂质量浓度为5％。在转速4000rpm下采用旋涂法，将浓缩后的纳米晶溶胶镀制到石英玻璃基片上，继续旋转20分钟，所得薄膜在110℃干燥20分钟。薄膜经椭偏仪测定，在550nm处的折射率为1.9082。