CC BY
76
УДК 621.396
Б.В. Поллер, В.А. Косинов, О.В. Косинов, Д.Е. Трушенко ИЛФ СО РАН, Новосибирск
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОКРЫТИЯ ДИОКСИДОМ ТИТАНА СТЕКЛА И ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОК
B.V. Poller, V.A. Kosinov, O.V. Kosinov, D.E. Trushenko Institute of Laser Physics, Novosibirsk
DEFINITION OF PARAMETERS COVERING TITANIUM DIOXIDE ON GLASS AND POLYMERIC FILMS
The optical parameters titanium dioxide films covering glass and polymers are discussed.
Покрытое диоксидом титана стекло в настоящее время находит широкое применение, в частности, при нанесении теплосберегающего покрытия на листовое стекло, которое используется в строительстве при изготовлении оконного остекления. Покрытое диоксидом титана стекло обладает самоочищающимися свойствами, что очень важно при остеклении труднодоступных объектов [1, 2]. По этой причине, практически все зарубежные фирмы, выпускающие листовое стекло с теплосберегающим покрытием, перешли на использование диоксида титана, взамен оксида висмута и алюминия.
Методика определения параметров покрытия диоксидом титана основана на анализе так: поскольку эти вещества такими свойствами не обладают спектральной характеристики отраженного или прошедшего света
[3].
Спектральный состав отраженного от покрытия света измерялся при помощи специального прибора-рефлексометра в диапазоне длин волн 300^700 нм. При этом спектр отраженного света обрабатывался на компьютере и регистрировался на экране дисплея, где одновременно записывалась длина волны и относительная интенсивность. Относительная интенсивность отраженного от покрытия света определялась как отношение интенсивности света отраженного от покрытия, к интенсивности света, отраженного от эталонного зеркала. На рис. 1 приведен пример компьютерной обработки света, отраженного от слоя диоксида титана, нанесенного на стекло.
я (%)
80. 60. 40 20
Отражение %
X (нм)
350 400 450 500 550
Рис. 1
600
650
700
Известно [3], что при нормальном падении света из среды с коэффициентом преломления П1 в среду с коэффициентом преломления п2, коэффициент отражения света (отношение интенсивности отраженного света к интенсивности падающего света До) определяется выражением
Я =
J
Я
Г \2
Щ ~ п2
J О
V
щ+п2
(1)
/
В данном случае п1 - коэффициент преломления воздуха, который приближенно можно считать равным 1, п2 - коэффициент преломления слоя диоксида титана.
Полагая п1 = 1, имеем
л „
Я =
1-И2
1 + п2
(2)
Из выражения (2) следует, что уравнение для п2 имеет два решения
1 + п2
(3)
Принимая положительное значение из выражения (3) получаем
п2 =
1-УЯ 1+УЯ
(4)
0
что при Я > 0 лишено смысла, так как в этом случае п < 1. Принимая отрицательное значение - л/Я имеем:
\ + п2
Тогда из выражения (5) получаем
п2 =
1 + л[я 1-л/я
(6)
Выражение (2) получено в предположении пренебрежения влиянием на интенсивность света, отраженного от внешней границы слоя, светом, отраженным от внутренней границы слоя. Оценочные расчеты показывают, что пренебрежение вкладом в интенсивность света, отраженного от внутренней границы слоя, дает погрешность, не превышающую нескольких процентов. Для доказательства этого рассмотрим схематический вид отраженного света от слоя диоксида титана, нанесенного на стекло (рис. 2).
J
воздух
Рис. 2
Из рис. 1 видно, что при длине волны X = 500 нм коэффициент суммарного отражения составляет R ~ 0,26. Тогда из выражения (6) следует, что
1 + 4026
п2эф =-г= = 3-08
1-л/026
Из рис. 1 R ~ 30 %, что подтверждается и в [3]. Принимая коэффициент отражения от внешней границы слоя равным 0,26, получаем, что внутрь слоя прошло часть света Тсл = 1 - R = 0,74. Полагая коэффициент преломления стекла (рис. 2) пст = 1.5, из выражения (1) получаем для коэффициента отражения пленка-стекло
С 'Х 08 — 1 5
^ -0,74 = 0,088.
Ксл { 3,08 + 1,5,
Таким образом, вклад света, отраженного от внутренней границы стекло-слой не превышает 9 % для данного случая. В общем случае свет,
отраженный от внутренней границы будет либо вычитаться, либо прибавляться в свету, отраженному от внешней границы, в зависимости от толщины слоя.
Из выражения (6) следует, что коэффициент преломления слоя диоксида титана имеет аномально высокое значение по сравнению с монокристаллами. Ранее было обнаружено, что коэффициент преломления пленки зависит от толщины слоя [3]. В свою очередь толщина слоя зависит от длительности времени покрытия и интенсивности испарения, зависящей от тока питания магнетрона. Поэтому для получения требуемой спектральной характеристики теплоотражающего покрытия фиксировалось время нанесения слоев диоксида титана, которое в дальнейшем поддерживалось постоянным. Незначительные отклонения получаемой спектральной характеристики от заданного эталона корректировались изменением тока питания магнетрона.
Для определения толщины пленки был использован процесс интерференции света, отраженного от внешней и внутренней границ слоя диоксида титана. Известно [3, 4], что если над слоем находится среда с коэффициентом преломления меньшим, чем у слоя, а под слоем среда с большим коэффициентом преломления, при интерференции имеет место минимум, если разность хода лучей равняется половине длины волны падающего света
Здесь пх -коэффициент преломления слоя на длине волны минимума, d-геометрическая толщина слоя.
Однако, при нанесении слоя диоксида титана на чистое стекло оказывается, что коэффициент преломления слоя, как следует из выражения (2), значительно выше коэффициента преломления стекла, равного 1,5^1,6. Поэтому для определения геометрической толщины слоя диоксида титана на стекло предварительно наносилось покрытие из чистого металла, например титана, с коэффициентом отражения R > 0,5. В этом случае эффективный коэффициент преломления «зеркального» покрытия, определенный из выражения (2), оказывается выше, чем у слоя диоксида титана. На рис. 3 показана интерференционная картина слоя диоксида титана на «зеркальном» покрытии.
1а = (2?
(7)
где к = 0, 1, 2, ...; б - оптическая толщина слоя, равная:
б = пх^.
(8)
я (%)
Отражение %
40 30 20 104
0
X (нм)
350 400 450 500 550
0 Рис. 3
600
650
700
Определяя длину волн X минимума при Х=450, что соответствует первому минимуму, получаем:
2п$ =
X
м
2
(9)
Откуда
I
а1 = Л1
4 п
(10)
X
Таким образом для длины волны минимума отражения, пленка имеет толщину Х/4.
Светопрозрачность слоя диоксида титана на стекле измерялась на длине волны X = 550 нм, которая соответствует середине видимого спектра.
На рис. 4 приведена схема прибора для измерения светопропускания покрытия.
4
3
5
Рис. 4
В экспериментах по измерению светопрозрачности слоя диоксида титана на стекле вначале при отсутствии образца 4 прибор калибровался на 100 % пропускание. Поток от источника излучения 1, модулировался с частотой 200 Гц светомодулятором 3 и освещал образец 4. Светофильтром 5 выделялась область 550 нм, как максимально чувствительная для глаза человека. Сигнал от фотоприемника 6 регистрировался узкополосным регистрирующим прибором 7. Интенсивность отраженного от образца света предварительно измерялась при помощи рефлексометра. Поглощение света в образце вычислялось по выражению
П = 1 - R - Т, (11)
где П - коэффициент поглощения света, R - коэффициент отражения, Т -коэффициент пропускания.
В этих экспериментах было обнаружено, что в чистой окиси титана поглощение не превышало 1 %. Однако, если слой диоксида титана незначительно загрязнялся недоокисленными примесями, поглощение света в слое резко возрастало. Так для прозрачных пленок из чистого титана поглощение составляло порядка 40 %.
Структура поверхности слоя в этих экспериментах определялась визуально. Если покрытие имеет пористую, «столбчатую» структуру с расстоянием между столбами соизмеримой с длиной волны падающего света, то в отраженном свете наблюдается дифракция света, окрашивающая поверхность покрытия в радужные цвета при изменении угла падения луча. Однако такого окрашивания при нанесении слоя диоксида титана на стекло, по нашей технологии, не наблюдалось. Это указывает, что пористость поверхности наших покрытий, по-видимому, меньше длины волны падающего света. Косвенным методом, указывающим на мелкопористую структуру покрытия, может служить измерение коэффициента преломления слоя после смачивания его дистиллированной водой с последующим его высушиванием. При этом коэффициент преломления уменьшался на несколько процентов. Мелкопористая структура, вероятно, является причиной аномально высокого значения коэффициента преломления слоя
Т1С2 [2].
Низкая температура в камере напыления позволила нанести покрытия также на некоторые образцы термостойких полимеров. Такое покрытие защищает оптические полимеры, используемые в качестве волоконных или планарных волноводов, от воздействия окружающей атмосферы [2].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кузнецов, О.П. Перспективы использования магнетронного напыления диоксида титана в теплотехнике, оптике и нанооптике / О.П. Кузнецов, М.М. Куниевский, Б.В. Поллер, В.А. Косинов, В.А. Васильев // Сб. матер. III междун. научн. конгресса «Гео-Сибирь-2007» - Новосиб., 2007 - Т. 4., ч. 1. - С. 233-234.
2. Поллер, Б.В. О характеристиках оптических полимерных пленок с нанопокрытиями диоксида титана / Б.В. Поллер, В.А. Косинов, О.В. Косинов, А.В. Бритвин, Д.Е. Трушенко // Сб. матер. IV междунар. научн. конгресса «Гео-Сибирь-2008». - Новосиб., 2008. - Т. 4, ч. 2. - С. 3-6.
3. Гребенщиков, И.В. Просветление оптики / И.В. Гребенщиков, А.В. Власов, Б.С. Непорент, Н.В. Суйковская М. — Л.. СГИЗ, Гостехиздат. - 1946.
4. Карякин Н.И. Краткий справочник по физике / К.Н. Быстров, П.С. Киреев. - М: Высшая школа. - 1964.
© Б.В. Поллер, В.А. Косинов, О.В. Косинов, Д.Е. Трушенко, 2009
