銀膜厚度對低輻射玻璃光學性能的影響

徐興紅，周靈平，彭 坤，朱家俊，李德意，李紹祿

（湖南大學材料科學與工程學院，長沙410082）

0 引 言

低輻射（Low－E）鍍膜玻璃具有高的可見光透射率和紅外反射率，可以在不顯著降低可見光透射率的同時，顯著降低由熱輻射產生的室內外熱量交換，起到很好的隔熱保溫作用，是一種理想的節能玻璃材料［1－3］。

低輻射薄膜是一種由金屬層和介質層組成的多層膜體系，由于TiO2具有良好的化學穩定性和高的可見光透射率，是低輻射鍍膜玻璃中最有應用前途的介質層材料［4－6］。銀的電導率高，可以獲得低的表面電阻和輻射率，并具有高的可見光透射率和低的紅外吸 收 率［7－11］，因而成為反射層的首選材料。銀膜厚度對Low－E玻璃光學性能的影響很大，當銀膜較薄時，不能形成連續的薄膜，達不到紅外反射的效果，而銀膜較厚時又會使可見光透射率下降［12－13］，因此需要對銀膜厚度進行嚴格控制，使其形成連續膜，以獲得良好的光學效果。目前研究超薄金屬膜連續性的方法主要有SEM和TEM［8，14－16］法，其特點是直觀，但局限在微觀區域。為此，作者利用TFCalc軟件模擬了不同厚度銀膜和TiO2膜對 TiO2／Ag／Ti／TiO2膜系光學性能的影響，以確定TiO2膜的最佳厚度，然后利用電子束蒸發的方法在玻璃襯底上制備不同銀膜厚度的TiO2／Ag／Ti／TiO2Low－E 薄 膜，對 銀 膜 的 方 塊 電阻、表面不均勻度及表面粗糙度進行了研究，并分析了銀膜連續性與Low－E玻璃光學性能的關系。

1 Low－E薄膜的膜層結構設計

設計的膜系結構為玻璃／TiO2／Ag／Ti／TiO2／空氣，其中銀膜每隔1nm為一個設計單位，在5～20nm厚度范圍內進行模擬設計，TiO2的調控厚度為20～40nm，每隔5nm為一個設計單位，利用TFCalc軟件對其光學性能進行設計，結果見圖1。

圖1（a）中的A～P分別為銀膜厚度從5nm增加到20nm時Low－E玻璃的可見光透射率，銀膜厚度的間隔為1nm?？梢姡S著銀膜厚度的增加，可見光透射率逐漸增大，在銀膜厚度達到15nm時，可見光的透射率最大，且曲線形狀由凹陷變為平坦；隨著銀膜厚度的繼續增加，可見光透射率逐漸降低，且W70（可見光透射率超過70%的波段）帶寬逐漸變窄，而近紅外透射率則隨著銀膜厚度的增加逐漸下降。

圖1（b）中的A～E分別為TiO2膜厚從20nm增加到40nm時Low－E玻璃的可見光透射率，TiO2膜厚度的間隔為5nm?？梢钥闯?，隨著TiO2膜厚度的增加，薄膜可見光透射峰的位置向長波方向移動，而最大可見光透射率先上升后下降，并且W70逐漸變寬；當TiO2膜厚度超過30nm后又開始變窄，這與劉海鷹采用磁控濺射法制備TiO2／Ag／TiO2納米多層膜的結果一致［16］。當TiO2膜厚度為30nm時，Low－E玻璃在中心波長550nm附近具有最高的透射率，且W70最大。根據上述結果可知，TiO2（30nm）／Ag（15nm）／Ti（1nm）／TiO2（30nm）膜系在可見光區具有良好的透射率。

對 TiO2（30nm）／Ag（15nm）／Ti（1nm）／TiO2（30nm）膜系在遠紅外波段的反射情況進行設計，結果如圖1（c）所示。該膜系在遠紅外區的透射率很低，具有很好的紅外反射作用，可滿足Low－E玻璃的要求。

2 試樣制備與試驗方法

用ZZS500型電子束蒸發鍍膜設備在1.7cm×1.7cm K9玻璃襯底上沉積TiO2／Ag薄膜和TiO2／Ag／Ti／TiO2Low－E薄膜。玻璃襯底先在丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗10min，烘干后置于真空室樣品臺上；真空室本底真空為5.0×10－4Pa，鍍膜前，用低能離子束清洗襯底表面15min以除去襯底表面的污物；蒸鍍TiO2膜時通入高純氧氣作為反應氣體，工作氣壓保持在1.5×10－2Pa，其它金屬膜料均在本底真空條件下蒸鍍，利用膜厚控制儀對沉積薄膜的厚度進行實時監控，從而獲得所需厚度的薄膜。

在上述模擬設計的基礎上，制備不同銀膜厚度的TiO2／Ag／Ti／TiO2的鍍膜玻璃，用以研究銀膜厚度對鍍膜玻璃透射率的影響。為了防止沉積的銀膜在隨后沉積TiO2的過程中被氧化，在沉積TiO2之前先沉積一層很薄的鈦作為銀膜的保護層，厚度為1nm，相當于引入了一個過渡層，這樣就可以提高銀膜和外層介質膜之間的結合力。在鍍膜過程中，樣品臺轉動從而保證沉積薄膜的均勻性，并采用FCM－Ⅱ型石英晶體振蕩膜厚控制儀對薄膜厚度進行原位監控。

通過薄膜電性能、光學性能和表面形貌的綜合分析來判斷銀膜的連續性。采用SolverP47－Pro（NT－MDT）型原子力顯微鏡觀察薄膜的3D表面形貌；利用UV－2500型紫外可見分光光度計測薄膜的透射率；利用RTS－8型四探針測試儀測薄膜的方塊電阻，其中測試點的位置為襯底的中心和四個邊的中心，取這5個測試點的平均值作為薄膜的方塊電阻，并根據方塊電阻的變化計算薄膜的不均勻度E，其計算公式如式（1）所示：

式中：Rmax和Rmin分別為5個測試點中方塊電阻的最大值和最小值。

3 試驗結果與討論

3.1 銀膜的連續性

由圖2和3可知，隨著銀膜厚度的增加，薄膜平均表面粗糙度先上升后下降，在10nm和15nm之間出現了一個平臺，之后又開始上升，并在20nm后又開始下降。這是因為銀在TiO2表面以三維島狀模式生長［8，14，17］，在成膜初期按三維形核方式生長為一個個孤立的島，所以得到的平均表面粗糙度很大；繼續沉積銀，島之間的溝道和空穴被后面沉積的銀原子填充，島開始相互連接成面使粗糙度下降，并最終隨著銀的沉積而形成連續的薄膜；形成連續薄膜后，薄膜又按三維形核方式生長，因此使得表面粗糙度再次變大。

圖2 不同厚度銀膜表面的AFM形貌Fig.2 AFM （atomic force microscopy）morphology of silver film surface with different thicknesses：（a）glass／TiO2（30nm）；（b）glass／TiO2（30nm）／Ag（5nm）；（c）glass／TiO2（30nm）／Ag（10nm）；（d）glass／TiO2（30nm）／Ag（15nm）；（e）glass／TiO2（30nm）／Ag（20nm）and（f）glass／TiO2（30nm）／Ag（25nm）

圖3 銀膜厚度對薄膜平均表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of Ag film thickness on average surface roughness of film

由圖4（a）可知，隨著銀膜厚度的增加，開始時薄膜的方塊電阻迅速減小，在銀膜厚度達到10nm后，曲線出現了一個拐點；之后隨著銀膜厚度的繼續增加，方塊電阻變化很小。根據連續金屬薄膜電阻率的F－S理論以及修正理論可知，當薄膜厚度小于臨界值時，電阻隨金屬薄膜厚度的增加迅速減?。划敽穸却笥谂R界值后，電阻則沒有太大變化；不同金屬的這一厚度臨界值不同，其主要取決于金屬形成連續薄膜時的最小厚度［18－19］，因此根據理論推測銀膜厚度為10nm時才開始形成連續薄膜。從圖4（b）可以看出，銀膜厚度在10nm時的電阻不均勻度很大（18.08%），比銀膜厚度為5nm 時的降低了1.77%，而銀膜厚度為15nm時薄膜不均勻度已經陡然降為6.9%，結合圖3及模擬分析可以判斷銀膜厚度在10nm時并未形成均勻連續的完整薄膜，在15nm時才形成了均勻連續的薄膜。

3.2 銀膜連續性對Low－E玻璃透射率的影響

圖4 銀膜厚度對薄膜方塊電阻和電阻不均勻度的影響Fig.4 Effect of Ag film thickness on sheet resistance（a）and resistance heterogeneous degree（b）of film

由圖5可知，所制備Low－E玻璃的透光性能與模擬設計的結果相吻合，當銀膜厚度為10nm時，由于尚未形成連續的銀膜，此時多層膜的總導納還是虛數，因此使得Low－E玻璃在近紅外波段的透射率高于可見光波段的；當銀膜厚度增加到15nm時形成了連續薄膜，薄膜的總導納也接近實數，所以玻璃的可見光透射率比不連續銀膜的高，這時玻璃在可見光波長為550nm處的最高透射率達到了81%，W70也接近330nm，并且在900nm波長處的近紅外透射率也降到了50%；繼續增加銀膜厚度到20nm時，由于已經形成了連續的銀膜，其具有塊體材料的特性，最終的導納也變成了金屬本身的導納，與薄膜的總導納無關，銀自由電子變多，使吸收系數的作用也越來越明顯，從而使得最大可見光透射率下降到73%，并且W70也只有112nm。

圖5 銀膜厚度對Low－E玻璃可見光透射率的影響Fig.5 Effect of Ag film thickness on visible light transmittance of Low－E glass

4 結 論

（1）根據模擬結果，采用電子束蒸發技術在TiO2膜上沉積形成的連續性銀膜的臨界厚度約為15nm，制 備 的 TiO2（30nm）／Ag（15nm）／Ti（1nm）／TiO2（30nm）鍍膜玻璃在可見光波長為550nm處的最高透射率達到了81%，W70接近330nm，在近紅外波長為900nm處的透射率降到了50%。

（2）增加銀膜厚度到20nm時，TiO2（30nm）／Ag（20nm）／Ti（1nm）／TiO2（30nm）鍍膜玻璃在可見光波長550nm處的最高透射率為73%，W70只有112nm。

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