SiO2光学增透膜的制备及光学性能分析

覃振鹏+唐帆斌

【摘要】在以正硅酸乙酯为前躯体的碱催化系统中得到的Sio2溶液，利用旋转镀膜方法制造Sio2光学增透膜，纳米二氧化硅和它所生成的复合材料的因具有，韧性好、在高温下不易发生变化、不容易被腐蚀和红外吸收性强等性能，所以可以用作催化剂、杀菌剂和生物检测。笔者分析了在不同制备前提下对膜层光学性能的变化，推理和计算了膜层的折射率和厚度，并且得到了膜层孔隙率和膜层厚度与转速变化之间的联系。

【关键词】增透膜；光学性；溶胶

最近几年，在制膜中采用溶胶-凝胶的方法得到了普遍的推广，尤其是Sio2溶胶在光学发展中被当作是制备光学薄膜的发展潮流，Sio2的反应活性很强，这与它的表面构造有关，Sio2外面具有羚基和没有达到饱和状态的键，与稳定的硅氧结构相偏离。Sio2的特点是，纯度高，表面体积大，粒径很小和分散性极好，所以可以广泛应用于工程材料和医药制作等领域。当前，制造Sio2的方法主要有气相沉积法、化学层积法和微乳液法等，它们都有不同的特性、优点和局限性，例如利用气相层积法所提炼的Sio2纯度高，但是所需的机器设备要先进，所花的费用大，制作成本高；其他的制作方法所制作的Sio2纯度低，里面杂质含量高，并且净化提炼的程序复杂，还会对环境造成污染，所以在实际操作中大多采用气相层积法。因为Sio2的折射率很低，所以可以制造光学增透膜，如果将其与折射率高的薄膜材料結合也可以制备成高反膜。笔者，不仅分析了由正硅酸乙酯为前提制造的光学性能，而且还探讨了膜层的结构。

一、实验过程

Sio2溶胶的制作：原料采用正硅乙酯、无水乙醇和水，催化剂是氨水，根据一定的比例把溶液混合，并在20摄氏度的水温下搅拌充分，使它们混合均匀，再把搅拌好的溶液倒入封闭的容器里，放置在恒温的条件下，最后采用不同时间的溶胶进行镀膜。

基片的准备工作：用碱液、洗洁精、二次蒸馏水把K9玻璃材料洗涤干净，最后再采用无水乙醇把玻璃冲洗干净后，把水分晾干，存储在干燥的封闭容器中。

膜的制作过程：采用旋转的方法镀膜，在低速的条件下，然后在玻璃基片表面滴上一定分量的溶胶，再快速进行高速旋转，最后维持一段时间，拿出后，对其封闭保存。

溶胶性能和膜层光学性质实验：采用透射电镜观察溶胶粒子的粒度大小和交联结构，再用粒度仪观测溶胶簇团的分布情况。用PHS_25A酸度计来测试溶胶的PH值。在制造薄膜上，二氧化硅与通常的有机高分子相比有很多优点，例如可以控制材料的多孔性，还有固定的离子交换点，可以使离子交换膜可以选择理想的透过性和离子。

取1克的Sio2，再把酒精、水和APTES按照一定的比例混合，让Sio2在混合溶液中超声分解10min，分解成三份若干溶液，放入容器杯中并密封，最后将溶液放在磁力搅拌器中，转速为1000rpm.对溶液进行离心分离，提取溶液中的白色颗粒，再采用超声分散，最后用酒精和分离水对溶液清洁洗涤三次，就会得到Sio2白色粉末。在和室内温度差不多的情况下，拿0.2克的白色粉末进行超声分散，并放入水中，使溶液变为白色浑浊的状态，在溶液内放入一定比例的AgNO3和NaBH4的液体，把反应后的银粒子固定在Sio2表层，而且一氨基为中心，再把温度提高到85摄氏度，再一次倒入AgNO3和柠檬酸的混合溶液，将其搅动15分钟，使其均匀，再将其放置一个小时，使纳米银继续发生变化，不断生长，最后，采用离心分离和超声分散技术，清洗和整理最终得到的颗粒物，并把它放干燥后进行测量和计算。

二、对实验进行分析

关于Sio2溶胶的特质：从实验的结果可以看到，溶胶粒子的粒径都比10nm还要小，溶胶簇团是由这些粒子构成网状结构而形成的，也叫团聚体，它们的粒径分布状况大部分都是25nm，溶胶的PH大小为8.8。膜层光学性质受镀膜数据的因素影响：由旋转法得来的Sio2增透膜的波长大于200nm而小于800nm，光学透过率和波长的分布状况，是双峰性，第一峰是短波长所对应的峰，第二峰是长波长所对应的峰。

膜的中心透射峰的位置是由加入溶胶时的转速大小决定的，膜越薄，说明滴加溶胶时的转速越大，转速大小与膜的厚度呈反比，所以短波方向和膜层的中心透射峰的峰向接近。膜的中心透射峰与滴加溶胶后的转速没有关系，但在实际的过程中，转速达到一定速度时，基片上的溶胶在短时间就会形成膜，但是在转速加速的情况下，膜的厚度和中心透射峰不会受到影响，只会对膜层的干燥速度有影响。

在转速一样的情况下，膜层高一层1时，每一层膜的光学薄厚度是一样的，中心透射峰会随着膜层的不断增加而加倍增多，所以不同透射峰所测试的光谱数量也在增多，在透射峰值的数据减少时，入射光波的长度减短，这说明Sio2溶胶膜具有吸收介质的性质，当接近基片的本征吸收极限值时，透射率会马上下降，这时的波长大约是35nm。

当光线垂直射入时，薄膜的物理厚度和折射率可以由弱介质吸收膜中的中心透射峰的波长与透射率来推测和计算出。溶胶的特点、旋转速度大小和镀膜的环境会影响利用旋转法而获得镀膜的膜厚度情况；在特殊的溶胶系统和镀膜情景中，膜层的空缝隙也会影响膜的厚度；转速的提高对膜层的空隙率没有多大的影响。

在自混频效应的测试方法中，可以利用探测器和激光器，制作一个模型，不用大型的会聚透镜，使仪器微型化，实现它的特殊用途。回射到激光中的光线太强会影响信号的接受情况，从而使信号的推算精度降低，为了提高多普勒测量的信号强度，不但要改进光学体系，还要运用新信号的处理方法和计算方法对信号进行处理，提高其精准度。

三、结论

采用溶胶凝胶的方法，以柠檬酸为还原剂，可以制造出Sio2复合材料，当温度变化和PH值发生变化时，样品的结构和性能作用都会发生相对应的改变，通过分析可以发现复合材料的结构不易改变的，表层的银不容易被氧化，也不容易出现生锈的情况，所以可以维持永久的活性，还可以维持原来的物理化学性能，为实际的运用提供了便利，样品的表面厚度和粗糙程度与溶液的变化温度和PH值的变化有关系。样品的光学性能与银度大改变和二氧化硅的尺寸的调整有关，在制造过程中，PH为9、10时，Sio2的可见光活性很强，这种方式制造的Sio2的光吸收性能很好，可以当做光催化剂和生化检测的纳米仪器设备。

采用正硅酸乙酯做硅源，氨水当做催化水解正硅酸乙酯的催化剂，在溶液中会形成光滑，尺寸分布均匀的球状Sio2，这种方式方便易行，制作费用少，不会对环境造成污染，后期的处理也很灵活，在大规模生产中得到普遍使用。

参考文献：

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