TiO2/Ag/TiO2低輻射薄膜光譜特性的研究

趙亞麗，呂志鵬，魏 敏

（晉中學(xué)院物理學(xué)院，山西晉中030619）

0 引言

近年來，世界能源危機日益加重［1］20～25，節(jié)能環(huán)保意識融入人們生活.大面積玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用，但普通建筑玻璃的傳熱系數(shù)遠高于磚體結(jié)構(gòu)的墻壁，因此降低了建筑物保溫隔熱的性能，增加了建筑物的能源消耗.據(jù)數(shù)據(jù)表明，我國現(xiàn)存的430億平方米建筑中，有99%的建筑屬于高能耗建筑，這一數(shù)據(jù)是國際上氣候條件相近其他國家的2.2倍［2］16～18，據(jù)統(tǒng)計，在建筑物的能量耗散中，玻璃門窗所耗散的能量超過了整個建筑物能量損失的 35%［3］6～9，通過建筑玻璃的熱交換而損失的能耗占到 50%以上［4］11～13，因此，降低建筑物能耗需先降低建筑玻璃的熱交換.而低輻射薄膜玻璃是具有此功能的一種節(jié)能玻璃產(chǎn)品，被譽為21世紀最理想的建筑玻璃材料.

建筑玻璃能耗主要原因是熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式.采用雙層玻璃可在一定程度上降低由于熱對流產(chǎn)生的能量損耗.而雙層玻璃對太陽能透射和熱能量輻射傳熱卻收效甚微.而輻射傳熱是造成建筑玻璃能耗的主要原因.目前，發(fā)達國家主要采用低輻射玻璃門窗.低輻射門窗就是具有較高的太陽能反射率和可見光透過率，既能滿足室內(nèi)采光度又能有很好的節(jié)能效果.通過低輻射玻璃，可大幅度降低由玻璃引起的建筑能耗［3，5，6］.經(jīng)過幾十年的研究，低輻射玻璃已從單一的金屬膜體系發(fā)展到半導(dǎo)體氧化物薄膜體系，很好地解決了金屬膜沉積在玻璃基體上易磨損和易氧化的問題，延長了低輻射玻璃的使用壽命［2］.

隨著低輻射薄膜在建筑中的廣泛應(yīng)用以及對它的深入研究，低輻射薄膜的可見光透射率和紅外光反射率逐漸成為目前的研究熱點［7］.低輻射薄膜的中間金屬層起著反射紅外線的重要作用，從成本和性能方面考慮，近年來使用的離線低輻射薄膜多為銀基低輻射膜［8］.針對透光率和輻射率相互制約的問題，本文研究了銀基膜層結(jié)構(gòu)對其透光率和輻射率的影響規(guī)律，采用光學(xué)薄膜設(shè)計軟件TFCalc對膜層結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，尋求一種較佳的銀基膜層結(jié)構(gòu)，使得透光率和輻射達到較好匹配的研究目的.TFCalc可以用來計算膜系反射率、透射率、吸收率、光密度、損失、顏色、亮度、電場強度計算并繪制表格.

1 研究結(jié)構(gòu)模型

本論文的研究對象是由金屬Ag和電介質(zhì)膜TiO2構(gòu)成的三層膜系結(jié)構(gòu)［8］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.較金屬Au、Ag和Al薄膜，Ag膜具有較高的紅外反射率和較低的可見光吸收率［9］.由此選擇金屬Ag為金屬膜層.TiO2膜在可見光區(qū)域內(nèi)是透明的，且具有較高的穩(wěn)定性和機械硬度［10］，因此選擇TiO2膜為電介質(zhì)膜層.

圖1 三層膜系（TiO2/Ag/TiO2）結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)果和討論

2.1 單層金屬Ag膜的光譜性能

首先采用TFCalc對不同膜厚的Ag膜在垂直入射時的透射率和反射率進行計算（見圖2）.從圖2可得出，單層Ag膜在可見光波區(qū)域有較低的反射率且有較高的透射率，進入紅外波段后，反射率急劇上升，透射率急劇下降.在波長大于1200 nm后，反射率隨波長增加而相應(yīng)提高.隨著金屬Ag膜厚的增加，其可見光透光率降低，而紅外的反射率相應(yīng)提高.當(dāng)Ag薄膜厚度為10 nm時，透光率不到80%，而當(dāng)Ag膜厚度為25nm時，透光率降低到不到40%.可見將單層的Ag薄膜作為可視窗口存在透光率低和透光率曲線窄等不足，且其透光率曲線窄會影響其可視的色澤感.

圖2 膜厚為10 nm～30 nm的Ag膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a）與透射率（圖b）

為了綜合考慮其可見光透光率和紅外反射率，其金屬Ag膜厚不要大于20nm.因為當(dāng)Ag大于20nm后，其紅外放射率不再隨著膜厚增加而明顯提高，但可見光透光率卻隨著膜厚增加而明顯降低.

2.2 TiO2膜厚對TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)可見光和紅外垂直入射時，TiO2膜厚對其TiO2/Ag/TiO2的光譜特性發(fā)揮著很大作用，見圖3.本文采用TFCalc對對稱結(jié)構(gòu)TiO2/Ag/TiO2的TiO2膜厚的特性以及影響展開研究.內(nèi)外層的TiO2厚度分別選用15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm 和 60nm，Ag層的厚度固定為 10nm，計算結(jié)果見圖3.比較圖3的（a）和（c），（b）和（d）發(fā)現(xiàn)，TiO2膜厚一旦大于35nm時，雖然其可見光透光率曲線變寬，變得更為平滑，但在900 nm到1200 nm的反射率明顯降低，且隨著TiO2膜厚增加，其反射性能進一步降低，反射帶進一步拓寬.這對提高其紅外反射率是不利的.為此，要想同時獲得較高的可見光透光率和紅外反射率，TiO2膜厚需小于35nm.與10nm的單層Ag薄膜相比，TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜的透光率明顯提高，從75%提高到90%以上.由此可得，采用TiO2/Ag/TiO2結(jié)構(gòu)對提高Ag薄膜可見光透光率是十分有效的，但另一方面其紅外的反射性能也相應(yīng)降低.

比較圖3的（a）和（b）15nm厚度的TiO2復(fù)合膜的可見光平均透射率較低，且波峰靠左，短波長方向，在波長為335nm時，得到的最高透射率Tmax為90%.隨著TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2復(fù)合膜可見光透射率曲線的波峰向長波長方向移動，最大可見光透射率Tmax和波長覆蓋寬度W70也有不同程度的變化.當(dāng)TiO2厚度為25nm時，曲線的可見光透射率最大，波長為430nm時，Tmax可達94%，而且波長覆蓋范圍也最廣，W70約為240nm.而當(dāng)TiO2厚度為30nm時，在波長460nm時，Tmax為90%，W70約為170nm.由此可見，隨著TiO2厚度的增大，TiO2系低輻射薄膜的可見光透射率波峰位置不斷向長波長方向移動，峰值Tmax是先增大后減小，在TiO2厚度為25nm時，獲得最高值.波長覆蓋范圍W70也是呈現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律，同樣在TiO2厚度為25 nm時，獲得最大值240nm.

圖3 TiO2厚度為15 nm～60 nm時，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a和圖c）與透射率（圖b和圖d）

2.3 Ag膜厚對TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)TiO2厚度為25 nm時，可獲得較高的可見光透光率.當(dāng)TiO2固定為25nm，且Ag膜的厚度為小于20nm.本節(jié)進一步研究可見光和紅外垂直入射時，Ag膜厚對TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響.其中Ag膜厚分別為10nm、15nm、20nm，TiO2膜厚為25 nm.采用TFCalc對其光譜特性進行計算，見圖4.

比較圖4和圖2，發(fā)現(xiàn)采用TiO2/Ag/TiO2結(jié)構(gòu)對提高其透光率是很有幫助的.與單層20 nm的Ag膜相比，TiO2/Ag/TiO2可見光透光率從不到50%提高到90%.從圖4（a）和（b）發(fā)現(xiàn)隨著金屬膜層厚度增加，其在紅外的反射率相應(yīng)增強，可見光透光率曲線相應(yīng)變窄.值得注意的是，TiO2/Ag/TiO2最大可見光透光率都近90%，并沒有隨著Ag膜厚增加而相應(yīng)降低.當(dāng)Ag膜厚從10nm增加到15 nm時，紅外反射率增強的強度明顯優(yōu)于其可見光透光降低強度.為此，為了同時獲得較高的可見光透光率和紅外反射率，選取Ag膜厚為15 nm.

圖4 Ag厚度為10 nm～20 nm時，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a）與透射率（圖b）

2.4 入射角度對TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)每層TiO2膜厚為25nm，Ag膜厚為15nm時，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可見光透光率和紅外反射性能.采用TFCalc分別對含25nmTiO2膜和15nm的Ag的復(fù)合薄膜的不同入射角度下的光譜特性進行計算，見圖5（a）和（b）.從圖5中可以看出，一開始隨著入射角度增加，可見光透光率降低不明顯.而當(dāng)入射角大于45°后，可見光透射率隨入射角度的增加而急劇降低.當(dāng)入射角度達到85°時可見光透射率最小值Tmin為10%.而紅外反射率隨入射角增加變化較小，只有在入射角為85°時，紅外反射性能有明顯的增強.由此可見，在入射角45°范圍內(nèi)，TiO2/Ag/TiO2可表現(xiàn)良好的可見光透光率和紅外反射率.

圖5 Ag厚度為15 nm，TiO2厚度為25 nm時，TiO2/Ag/TiO2膜在不同入射角度下的反射率（圖a）與透射率（圖b）

3 結(jié)論

本文采用TFCalc對Ag和TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜可見光和紅外光譜特性進行研究.研究結(jié)果表明，Ag膜隨膜厚的增加，可見光透光率會相應(yīng)降低，紅外反射率相應(yīng)提高.當(dāng)Ag膜厚度為20nm時，可見光透光率不到50%.隨TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2透射率波峰紅移.當(dāng)TiO2膜厚大于30nm后，隨TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2紅外反射率相應(yīng)降低.當(dāng)TiO2膜厚為25nm時，TiO2/Ag/TiO2同時具備較高的可見光透光率和紅外反射率.隨Ag膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2可見光透光率的峰值并沒有隨Ag膜厚的增加而相應(yīng)降低，但曲線寬度相應(yīng)降低，同時其紅外反射率相應(yīng)提高.研究結(jié)果表明，TiO2和Ag膜分別為25nm和15nm時，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可見光透光率和紅外反射率，其最大可見透光率可達90%，遠遠大于單層Ag膜的透光率.在入射角45°范圍內(nèi)， 該結(jié)構(gòu)的TiO2/Ag/TiO2兼具有良好的可見光透光率和紅外反射率.