金屬-電介質復合納米多層膜的結構與光學性能.pdf

1、金屬／電介質復合多層膜可以綜合利用貴金屬的高導電性能以及復合高折射電介質通過誘導透射設計來實現(xiàn)透明導電紅外反射等功能。因此，在低阻透明導電材料、電磁屏蔽以及熱鏡等領域有廣泛應用。金屬一電介質復合光帶隙材料(MD-PBG)由于其低阻和靈活的帶隙可控性而受到了廣泛關注。本文在上海市納米專項基金項目“透紫外隔熱納米多層膜研究”(0452nm067)的資助下，圍繞透紫外隔熱納米多層膜的設計制備和熱穩(wěn)定性改善，對金屬／電介質復合納米多層膜的結構、

2、光學性能、熱穩(wěn)定性以及相關的表面、界面問題進行了研究。 在Kee等人的研究基礎上，計算分析了非周期金屬-電介質(MD)復合多層膜耦合共振的裂解現(xiàn)象。運用緊束縛近似(TBA)分析方法，并類比了電子隧穿三勢壘量子阱機制，分析了2．5周期MD結構的禍合結果，并證明了2倍金屬趨膚深度并不是Kee提及的限制腔搭接耦合的臨界厚度。提出以單-F.P腔作為分析基元，計算證明共用金屬層厚度為兩倍基元金屬層厚度時，共振透射峰趨于合并，這一點與電子隧

3、穿勢壘的結論非常相似。在此基礎上，‘進一步分析了(2n+1)個腔基元耦合共振透射峰的理解規(guī)律。 分析了常用光學鍍膜材料，并就Ag膜趨膚深度以及常用于金屬材料光學性能的描述的Drude模型在紫外波段的效性進行了分析論證。指出K6stlin關于傳統(tǒng)熱鏡設計膜厚優(yōu)化計算模型在紫外波段不再適用，而由于束縛電子在紫外波段對自由電子振動的貢獻使得金屬等離子共振頻率降低。因此，紫外波段要考慮束縛電子的lJorentz振子模型。選用非晶1502

4、和Ag作為電介質和核心金屬層材料，利用矩陣計算設計優(yōu)選了膜層厚度，設計制備了幾組可以實現(xiàn)透紫外隔熱的納米多層膜。取得了較好的紫外透射和紅外反射的綜合性能，在商用紫外固化特征波長λ=365nm波段獲得了高達8l％的透射率，而同時在1600nm的近紅外波段就可以實現(xiàn)近90％的反射。指出在采用多周期不同金屬厚度的MD結構時，即使總的金屬層厚度相同，子金屬層的位置變化會影響系統(tǒng)的透射性能，因此，MD結構不能像全介質結構只考慮總體的光學厚度(nd

5、)。 由于Ag在TiO<,2>表面往往以三維Volmer-Weber模式生長，因此，界面結合很差。Ag薄膜熱力學穩(wěn)定狀態(tài)為三維島狀結構，在外界能量的作用下會發(fā)生結塊而破壞其連續(xù)性進而影響到整個膜堆的光學性能。通過TEM和AFM分析了不同厚度Ag膜在FiO<,2>膜表面的生長和熱處理結塊現(xiàn)象，結合二者的表面能問題對出現(xiàn)的反濕潤(dewetting)給出了解釋。為了提高TiO<,2>／Ag／TiO<,2>結構的熱穩(wěn)定性，本文提出采用

6、前期過渡元素Ti作為TiO<,2>／Ag界面的過渡層。由于Ti的3d層只有2個電子，而且與氧的親和力比Ag高10倍，而Ti經800K保溫60min仍沒有與Ag發(fā)生反應，因此，采用2-3nm厚的Ti膜作為Ag與TiO<,2>的中間層。試驗結果表明，超薄Ti層有效地改善了Ag膜的連續(xù)性和熱穩(wěn)定性。XRD研究表明Ti在沉積態(tài)與TiO<,2>反應生成低價氧化物Ti<,2>O<,3>，因此，對原始膜堆的光學性能影響較小，但是由于Ti<,2>O<,

7、3>可以表現(xiàn)一定的金屬性與Ag的界面結合得到明顯的強化。特別是，經過退火處理后，Ti促進了Ag(111)取向的有利發(fā)展，有效地降低了Ag的表面能。 通過掃描電鏡(SEM)，俄歇深度分析(AES)以及變角橢圓偏振儀(VASE)等手段分析了TiO<,2>／Ag以及TiO<,2>／Ti／Ag界面。分析表明，TiO<,2>／Ag界面沉積態(tài)和退火態(tài)都沒有界面反應物，但是退火后Ag會擴散通過TiO<,2>層。而TiO<,2>／Ti／Ag界面