TiO2／SiO2纳米多层膜光学特性研究

TiO2／SiO2纳米多层膜光学特性研究 TiO2,SiO2纳米多层膜光学特性研究 专雾辫??0孥篓夔 文章编号,1672—8785(2007)02—0012—03 TiO2/SiO2纳米多层膜光学特性研究 张杨,王维,圣桂金,田夏 (沈阳工业大学理学院,辽宁沈阳110023) 摘要:采用磁控溅射在玻璃基底上制备了TiO2/SiO2纳米多层膜,用椭偏仪测试 了薄膜的厚度和折射率.黑体实验研究表明,TiO2/SiO~纳米多层膜在800nm一1600nm 区域内对红外线的吸收较好,且吸收率随着温度的升高而增大.红外光谱研究表明, Tio2/SiO2纳米多层膜在2300cm2900cm-1区域内对红外线的吸收较好. 关键词,磁控溅射;纳米多层膜;光学特性 中图分类号:0434.11;0433.5+9文献标识码:A StudyoftheOpticalCharacteristicsof TiO2/SiO2Nanomultilayers ZHANGYang.WANGWei,SHENGGui—jin,TIANXia (SchoolofScience.ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110023,China) Abstract:TiO2/SiO2nanomultilayerswerepreparedonglasssubstrateswithmagnetronspu ttering. Thethicknessandrefractiveindexofthethinfilmsweremeasuredbyallellipsometer.Theblac kbody radiationexperimentshowsthattheTiO~/SiOenanomultilayershavegoodinfraredabsorpti onwithin thewavelengthrangeof800nm一 1400nm,andtheabsorptioncoefficientincreasesasthetemperature rises.TheinfraredspectroscopyshowsthattheTiOu/SiO2nanomultilayershavegoodinfrar edabsorption withinthewavenumberrangeof2300cm,一2900cm,. Keywords:magnetronsputtering;nanomultilayers;opticalcharacteristics 1引言 由于TiOz薄膜具有化学稳定性好,折射率 高等优良性能,因此被广泛地应用于光电子学 【?,光催化材料【】等领域.纳米SiO的独特结 构,决定它具有优良的光学性能.相关的研究报 道主要集中在纳米SiOz对紫外线的吸收或反射 性能的研究上]. 纳米多层膜是由两种或两种以上材料以纳 米级厚度交替沉积形成的多层结构薄膜目前, 关于TiO2/sio2薄膜的报道主要集中在光催化性 能的研究与应用上[5-7】,根据已掌握的资料,有 关TiO/siO薄膜在红外波段性能的研究较少. 本文采用WHS一1型黑体实验设备对TiO2/SiO2 纳米多层膜在红外波段的光吸收性能进行了研 究,为TiO/siO2纳米多层膜在红外波段的应用 提供了一定的参考价值. 2实验 选用玻璃作为样品基片基片首先用乙醚 进行超声振荡,用去离子水冲洗干净,然后在 70?温度下干燥1h,待基片冷却后备用.采用 SPC一350型多靶磁控溅射仪设备在玻璃基底上 制备TiO2/sio2纳米多层膜.真空室的本底真空 度为4×10_..Pa,采用高纯Ar(纯度为99.999%) 作为溅射气体. 收稿日期t2006-09—14 作者简介t张杨(1982——),男,辽宁绥中人,在读硕士研究生,主要从事纳米材料的 光学特性方面的研究. INFRARED(MONTHLY)/VOL.28,NO.2,FEB2007 , 第_Il2辩j:___0.红外0一? 采用WHSl黑体实验设备(波长范围为 800nm2500nm),红外光谱仪SHIMADZU IRPrestige21(波数范围为400cm一4000cm) 对TiO2/siO2多层膜进行分析,并用TPY_2型椭 偏仪测量薄膜的厚度和折射率. 3结果与讨论 3.1黑体实验设备分析 图l为黑体设备的光学系统原理图入射狭 缝s1,出射狭缝s2,s3均为可调节宽度的直 狭缝,缝宽范围为0ram2.5ram连续可调,长 度为20rnm.S1位于球面反射镜Mz的焦平面 上,s2,s3位于球面反射镜M.的焦平面上, 且s位于深椭球M.的长轴焦点处,接收器件 P位于M6短轴焦点处. 图1光学系统原理图 通过改变溴钨灯电源控制箱的电流,来测 试TiO2/si02薄膜在800nm2500nm波长范围 内的辐射能量的变化.图2,图3,图4分别为 电流为1.5A,1.6A,1.7A时样品和基底的辐射 能量对比.由维恩位移定律A.=T/A(其中 A=2.896×10.(mxk))可以得出三个图的光谱辐 射度峰值波长在lO00nm附近.电流不同,色温不 同,绝对温度T也不同.由得到的光谱辐射度峰 值波长可以分为三个波段:800nm1000nm, 1000nm一1600nm,1600nm一2500rim.从图4中 可以看到,样品在800nm一1000nm波段内的吸 收效果较好,而在图2,图3中吸收效果不是很 明显.可见随着温度的升高,吸收效果会越来越 好.从三个图的对比曲线可以很明显地看到,在 1000nm1600nm波段,薄膜对红外光的吸收较 强.在1600nm2500nm波段,图2中的样品与 基底的辐射能量基本一致.随着温度的升高,图 3,图4有一些变化,但不是很明显. 图2电流为1.5A时样品和基底的辐射能量对比 图3电流为1.6A时样品和基底的辐射能量对比 图4电流为1.7A时样品和基底的辐射能量对比 3.2红外光谱分析 从图5中的对比曲线可以明显地看到,在 INFRARED(MONTHLY)/VOL.28,No.2,FEB2007 ;鲻辫慧蠢 图5样品和基底的红外光谱对比 500cm_.2300cm?1区域内,样品和基底的红外 光谱曲线基本一致.在2300cm,2900cm范 围内有个吸收峰,而400cm-1—700cm区域为 Ti—O键的红外吸收区域[刚.这是由于低波数处 的吸收归因于Ti—O—Ti键的振动,高波数处的吸 收归因于Ti—O键的振动[圳.材料学家们将纳米 结构材料红外吸收谱的红移,蓝移归于小尺寸 效应,晶场效应,尺寸分布效应及界面效应. 纳米材料的界面中存在空洞等缺陷,原子严重失 配,失配键急剧增多,易发生物理或化学吸附, 从氢键的形成会导致伸缩振动吸收峰的红移和 弯曲振动吸收峰的蓝移[10】. 4结论 利用磁控溅射方法在玻璃基底上成功地制 备了TiO2/SiOz多层膜.通过椭偏仪测得的薄 膜的总厚度为2,折射率为1.2.黑体实验表 明,TiO2/sio2多层膜在800nm1600nm波长 范围内的吸收较好,且随着温度的升高吸收率 变大.红外光谱表明TiO2/sio2多层膜在波数 2300cm-1~2900cm11范围内的吸收效果较好.这 对TiO2/SiO2多层膜将来在红外波段的应用可起 到一定的参考作用. 参考文献 [1JBabelonP,DequiedtAS,Mostefa~SbaH,eta1. SEMandXPSstudiesoftitaniumdioxidethinfilms grownbyMOCVD[J】IThinSolidFilms,1998,322: 6367. [2JNegishiN,TskeuchiK,IbusukiT.Preparationofthe TiO2thinfilmphotocatalystbythedip-coatingpro- cess[J]_Sol—GelSciandTechno,1998,13:691—694, [3]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M】.科学出 版社,2000,516. [4]汪斌华,黄婉霞,刘雪峰,等.纳米siO.的光学特 性『J_.材料科学与工程,2003,(8):514—515, [5]鞠春华,叶苗苗,宋亮.TiO2/SiO2薄膜的制备及 光催化降解氯前水的TOC【J】_哈尔滨工业大学学 报,2004,(9):1232. [6]邓忠生,张哲,翁志农,等.TiO2一SiO2复合半导 体气凝胶制备及光催化活性研究[J].功能材料与器 件,2003,(3):7_g. [7]王玉栋,郝志显,甘礼华,等TiO2/SiO2气凝 胶对吡啶的光催化降解[J].应用化学,2004,(10): 10021003. [8】彭勤纪,王璧人.波谱分析在精细化工中的应用[MJ_ 北京,中国石化出版社,2001,1-74. [9】刘海鹰,刁训刚,杨盟,等.低红外发射率 TiO2/Ag/TiO2纳米多层膜研究『J】_红外,2005, (1O):卜4. 【101尹荔松,沈辉,张进修.纳米TiO2粉晶的光学特 性研究[J].电子,2002,(6):808—810. INFRARED(MONTHLY)/VOL.28,No.2,FEB2007