納米多孔二氧化硅減反膜的制備、改性及應(yīng)用研究.pdf

1、溶膠-凝膠鍍膜法是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型光學(xué)薄膜制備技術(shù)。與傳統(tǒng)物理氣相沉積鍍膜法(PVD)相比，溶膠-凝膠法制備的光學(xué)薄膜具有易于控制的納米多孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)的折射率、較高的激光損傷閾值、優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能等優(yōu)點。此外，溶膠-凝膠法鍍膜設(shè)備簡單、易于操作，可以在大尺寸以及各種形狀不規(guī)則的基底上進行，成本低廉，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本論文基于溶膠-凝膠鍍膜工藝，成功制備了具有納米多孔結(jié)構(gòu)的二氧化硅(SiO2)光學(xué)減反膜，實

2、現(xiàn)了溶膠-凝膠過程的穩(wěn)定化和結(jié)構(gòu)控制，系統(tǒng)地研究了薄膜光學(xué)性能、表面疏水性能、耐刮擦性能和耐候性能的改進，并討論了溶膠-凝膠SiO2減反膜在三個主要方向的應(yīng)用前景。論文第1章介紹了本研究工作在三個主要應(yīng)用方向的研究背景、意義和現(xiàn)狀，介紹了溶膠-凝膠技術(shù)的歷史發(fā)展、化學(xué)過程、影響因素、優(yōu)勢和不足以及主要應(yīng)用，并重點介紹了幾種常用的溶膠-凝膠鍍膜工藝的原理、操作和應(yīng)用現(xiàn)狀。論文第2章介紹了SiO2體系溶膠-凝膠過程中的主要化學(xué)

3、反應(yīng)和動力學(xué)機理。通過引入溶膠分形體、體分形維數(shù)和滲流等概念，討論了溶膠絮狀體中常見的幾種顆粒/團簇的生長模型的結(jié)構(gòu)特征和分形描述。重點討論了在不同催化條件、pH值和老化時間下的SiO2體系溶膠-凝膠過程中顆粒/團簇的生長、交聯(lián)情況以及空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成。論文第3章詳細介紹了溶膠-凝膠法制備大口徑納米多孔SiO2減反膜的完整工藝。通過對工藝過程中原材料和設(shè)備選取、基底表面處理、制備步驟、原料配比、反應(yīng)參數(shù)、恒溫恒濕條件、老

4、化和存貯環(huán)境等問題的研究，實現(xiàn)了工藝的最優(yōu)化和穩(wěn)定化。通過對不同制備條件下溶膠顆粒度的表征，探討了溶膠在長期貯存中的穩(wěn)定性。使用反射式掃描橢偏光譜儀和紫外-可見分光光度計研究了薄膜光學(xué)常數(shù)的色散關(guān)系以及在玻璃基底上的減反射效果。使用透射電子顯徼鏡、掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡表征了溶膠和薄膜的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌，并通過工藝參數(shù)和反應(yīng)條件的優(yōu)化控制成功實現(xiàn)了薄膜結(jié)構(gòu)的控制和折射率的連續(xù)可調(diào)。采用表面化學(xué)裁剪工藝實現(xiàn)了薄膜表面的

5、疏水化，并通過紅外光譜等手段分析了薄膜修飾前后表面的基團信息，討論了薄膜疏水性能提高的機理。采用獨創(chuàng)的堿/酸兩步催化法和氨氣氛后處理等方法成功提高了薄膜的機械強度，并對薄膜的耐刮擦性能進行了表征。通過對普通環(huán)境下貯存5年后的薄膜樣品進行光學(xué)和機械性能測量，證明了溶膠-凝膠薄膜具有很好的耐侯性能，符合日常環(huán)境下長時間的應(yīng)用要求。最后，形成了溶膠-凝膠工藝制備SiO2減反射薄膜的一般標(biāo)準，為進一步大規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。論

6、文第4章主要探討了溶膠-凝膠SiO2減反膜在高功率激光系統(tǒng)光學(xué)元件、顯示系統(tǒng)以及太陽能電池保護玻璃三個主要方向的應(yīng)用前景。通過精確控制薄膜厚度及折射率，成功制備了高功率激光器用大口徑(300×300mm)減反膜，實現(xiàn)了釹玻璃激光基頻(1064nm)和三倍頻(355nm)波長反射率峰值均低于0.2％的性能要求。經(jīng)測量，兩步法制備的薄膜激光損傷閾值高于24J/cm2(1064nm，lns)，完全符合應(yīng)用要求。此外，研究了KDP類晶

7、體防潮用SiO2/聚對二甲苯復(fù)合薄膜的制備。測試結(jié)果表明與鍍制在KDP晶體上的單層聚對二甲苯防潮膜相比，復(fù)合膜系在1064nm和355nm波長的透射率分別提高了8％和12％。闡述了光學(xué)減反膜膜系設(shè)計的理論基礎(chǔ)。運用Essential Macleod膜系設(shè)計軟件設(shè)計了在可見光波段具有寬帶減反效果的雙層折射率梯度減反膜系，并成功在玻璃基底上制備了堿性/酸性溶膠-凝膠SiO2雙層寬帶減反膜，使基底在可見光區(qū)平均反射率降低至0.4

8、4％。此外，在常用光學(xué)樹脂聚碳酸酯(PC)表面進行鍍膜研究，鍍膜后基底在中心波長的反射率僅為0.15％。探討了薄膜在太陽能電池保護玻璃上的應(yīng)用。為適應(yīng)戶外應(yīng)用要求，在玻璃表面鍍制折射率約為1.3的SiO2減反膜，鍍膜后玻璃基底在400～800nm波段的整體透過率上升5％以上，使電池的能量轉(zhuǎn)換效率得到較大的提高。論文第5章為本工作的總結(jié)與展望，對工作的主要結(jié)論、主要創(chuàng)新點和進一步工作方向進行了簡要的討論。關(guān)鍵詞：溶膠-凝膠法