在PMMA上低温沉积TiO2薄膜的光学性能及显微结构

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.002

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (3): 7-12.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.03.002

在PMMA上低温沉积TiO₂薄膜的光学性能及显微结构

纪建超¹^,³(), 颜悦¹^,³, 陈宇宏²^,³, 哈恩华¹^,³, 郝常山¹^,³, 雷沛¹^,³

^1.北京航空材料研究院股份有限公司，北京 100095
^2.北京航空材料研究院，北京 100095
^3.北京市先进运载火系统结构透明件工程技术研究中心，北京 100095

收稿日期:2023-11-28 出版日期:2024-03-26 发布日期:2024-03-28
作者简介:纪建超（1972-），男，高工，从事航空透明材料及功能薄膜等方面的研究，ji_jianchao@163.com
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51802297)

Optical properties and microstructures of TiO₂thin film deposited on PMMA at low temperature

JI Jianchao¹^,³(), YAN Yue¹^,³, CHEN Yuhong²^,³, HA Enhua¹^,³, HAO Changshan¹^,³, LEI Pei¹^,³

^1.Beijing Institute of Aviation Materials Co，Ltd，Beijing 100095，China
^2.Beijing Institute of Aviation Materials，Beijing 100095，China
^3.Beijing Engineering Centre of Advanced Structural Transparencies for the Modern Traffic System，Beijing 100095，China

Received:2023-11-28 Online:2024-03-26 Published:2024-03-28

摘要/Abstract

摘要：

采用直流脉冲磁控溅射的方法，在有机玻璃（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）上沉积了TiO₂薄膜。研究了氧气比例、真空度等参数对TiO₂薄膜的结构及光学性能的影响。借助椭圆偏振光测试仪、X射线衍射（XRD）仪、分光光度计、原子力显微镜（AFM）等表征手段，分析了薄膜的光学特性、元素组成、结晶性能、及显微结构。结果表明，随氧气比例的增加，薄膜的沉积速率降低，沉积的薄膜的粒径变大，薄膜趋于疏松；在光学性能方面表现为随氧气比例的增加，折射率递减，但可见光透过率增加，反射率谱线出现红移；根据折射率计算的薄膜堆积密度分别为0.95、0.93、0.87、0.88、0.78，与氧气比例反向变化；根据光谱计算的薄膜禁带宽度在3.12~3.14 eV之间，与氧气比例反向变化；随工作真空度的降低，薄膜的沉积速率先升后降，薄膜趋于疏松，折射率下降，根据折射率计算的薄膜堆积密度为0.96、0.95、0.90、0.89、0.88、0.88、0.87，真空度对薄膜可见光透过率具有正向影响，对薄膜的禁带宽度有反向影响，禁带宽度在3.13~3.16 eV之间；本文沉积的TiO₂ 薄膜为无定形态，氧气比例与真空度的变化对其结晶性基本无影响。

关键词: 聚甲基丙烯酸甲酯, 二氧化钛, 薄膜, 磁控溅射, 光学性能, 显微结构

Abstract:

TiO₂ thin films were deposited on low temperature on poly（methylmethacrylate）（PMMA） by DC pulse magnetron sputtering. The effects of oxygen ratio， vacuum degree and other parameters on the structure and optical properties of TiO₂ thin films were studied. With the help of elliptic polarizing light tester， X⁃ray diffraction （XRD） tester， spectrophotometer and atomic force microscope （AFM）， the optical properties， element composition， crystallization properties and microstructure of the thin films were analyzed. The experimental result shows that with the increases of oxygen ratio， the deposition rate of the film decreases， the particle size of the film becomes larger， and the film tend to be looser. In term of optical properties， the refractive index deceases with the increase of oxygen proportion，but visible light transmittance increases，the reflectance appears redshift. The films packing densities calculated according to the refractive index are 0.95，0.93，0.87，0.88 and 0.78 respectively， changes inversely with the proportion of oxygen. The band gap of the films calculated according to the spectrum is between 3.12~3.14 eV， changes inversely with the proportion of oxygen. With the decreases of vacuum， the deposition speed of the film first increased and then decreased. The films tend to be looser， and the refractive index decreased. The packing density of the film calculated according to the refractive index are 0.96，0.95，0.89，0.88，0.88，0.87， the vacuum degree has an positive effect on the visible light transmittance of the film， and has an negative effect on the band gap width of the film， which is between 3.13~3.16 eV， The TiO₂ thin films deposited in this paper are amorphous，and the oxygen tatio and vacuum degree has little effect on their crystallinity.

Key words: poly（methylmethacrylate）, titanium dioxide, thin film, magnetron sputtering, optical property, microstructure

中图分类号:

TQ320

纪建超, 颜悦, 陈宇宏, 哈恩华, 郝常山, 雷沛. 在PMMA上低温沉积TiO₂薄膜的光学性能及显微结构[J]. 中国塑料, 2024, 38(3): 7-12.

JI Jianchao, YAN Yue, CHEN Yuhong, HA Enhua, HAO Changshan, LEI Pei. Optical properties and microstructures of TiO₂thin film deposited on PMMA at low temperature[J]. China Plastics, 2024, 38(3): 7-12.

图/表 10

图1 不同氧气比例下TiO2薄膜的沉积速率和折射率

Fig.1 The film deposition rates and refractive index of TiO2 film under different oxygen ratios

图2 不同氧气比例下TiO2薄膜的光学性能

Fig.2 Optical properties of TiO2 film at different oxygen ratios

图3 不同氧气比例下的TiO2薄膜的原子力显微照片

Fig.3 AFM of TiO2 film at different oxygen ratios

图4 不同氧气比例下的TiO2薄膜XRD谱图

Fig.4 XRD pattern of TiO2 thin film at different oxygen ratios

图5 不同氧气比例沉积的TiO2薄膜的禁带宽度

Fig.5 Band gap widths of TiO2 film at different oxygen ratios

图6 不同真空度下TiO2薄膜沉积速率和折射率

Fig.6 Deposition rates and refractive index of TiO2 film under different vacuum degrees

图7 不同真空度下TiO2薄膜的光学性能

Fig.7 Optical properties of TiO2 film under different vacuum degrees

图8 不同真空度下沉积的TiO2的原子力显微照片

Fig.8 AFM of TiO2 filmunder different vacuum degrees

图9 不同真空度下的XRD谱图

Fig.9 XRD pattern of TiO2 thin film under vacuum degrees

图10 不同真空度沉积的TiO2薄膜的禁带宽度

Fig.10 Band gap widths of TiO2 film under different vacuum degrees

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