SiO2光學增透膜的制備及光學性能分析

覃振鵬+唐帆斌

【摘要】在以正硅酸乙酯為前軀體的堿催化系統中得到的Sio2溶液，利用旋轉鍍膜方法制造Sio2光學增透膜，納米二氧化硅和它所生成的復合材料的因具有，韌性好、在高溫下不易發生變化、不容易被腐蝕和紅外吸收性強等性能，所以可以用作催化劑、殺菌劑和生物檢測。筆者分析了在不同制備前提下對膜層光學性能的變化，推理和計算了膜層的折射率和厚度，并且得到了膜層孔隙率和膜層厚度與轉速變化之間的聯系。

【關鍵詞】增透膜；光學性；溶膠

最近幾年，在制膜中采用溶膠-凝膠的方法得到了普遍的推廣，尤其是Sio2溶膠在光學發展中被當作是制備光學薄膜的發展潮流，Sio2的反應活性很強，這與它的表面構造有關，Sio2外面具有羚基和沒有達到飽和狀態的鍵，與穩定的硅氧結構相偏離。Sio2的特點是，純度高，表面體積大，粒徑很小和分散性極好，所以可以廣泛應用于工程材料和醫藥制作等領域。當前，制造Sio2的方法主要有氣相沉積法、化學層積法和微乳液法等，它們都有不同的特性、優點和局限性，例如利用氣相層積法所提煉的Sio2純度高，但是所需的機器設備要先進，所花的費用大，制作成本高；其他的制作方法所制作的Sio2純度低，里面雜質含量高，并且凈化提煉的程序復雜，還會對環境造成污染，所以在實際操作中大多采用氣相層積法。因為Sio2的折射率很低，所以可以制造光學增透膜，如果將其與折射率高的薄膜材料結合也可以制備成高反膜。筆者，不僅分析了由正硅酸乙酯為前提制造的光學性能，而且還探討了膜層的結構。

一、實驗過程

Sio2溶膠的制作：原料采用正硅乙酯、無水乙醇和水，催化劑是氨水，根據一定的比例把溶液混合，并在20攝氏度的水溫下攪拌充分，使它們混合均勻，再把攪拌好的溶液倒入封閉的容器里，放置在恒溫的條件下，最后采用不同時間的溶膠進行鍍膜。

基片的準備工作：用堿液、洗潔精、二次蒸餾水把K9玻璃材料洗滌干凈，最后再采用無水乙醇把玻璃沖洗干凈后，把水分晾干，存儲在干燥的封閉容器中。

膜的制作過程：采用旋轉的方法鍍膜，在低速的條件下，然后在玻璃基片表面滴上一定分量的溶膠，再快速進行高速旋轉，最后維持一段時間，拿出后，對其封閉保存。

溶膠性能和膜層光學性質實驗：采用透射電鏡觀察溶膠粒子的粒度大小和交聯結構，再用粒度儀觀測溶膠簇團的分布情況。用PHS_25A酸度計來測試溶膠的PH值。在制造薄膜上，二氧化硅與通常的有機高分子相比有很多優點，例如可以控制材料的多孔性，還有固定的離子交換點，可以使離子交換膜可以選擇理想的透過性和離子。

取1克的Sio2，再把酒精、水和APTES按照一定的比例混合，讓Sio2在混合溶液中超聲分解10min，分解成三份若干溶液，放入容器杯中并密封，最后將溶液放在磁力攪拌器中，轉速為1000rpm.對溶液進行離心分離，提取溶液中的白色顆粒，再采用超聲分散，最后用酒精和分離水對溶液清潔洗滌三次，就會得到Sio2白色粉末。在和室內溫度差不多的情況下，拿0.2克的白色粉末進行超聲分散，并放入水中，使溶液變為白色渾濁的狀態，在溶液內放入一定比例的AgNO3和NaBH4的液體，把反應后的銀粒子固定在Sio2表層，而且一氨基為中心，再把溫度提高到85攝氏度，再一次倒入AgNO3和檸檬酸的混合溶液，將其攪動15分鐘，使其均勻，再將其放置一個小時，使納米銀繼續發生變化，不斷生長，最后，采用離心分離和超聲分散技術，清洗和整理最終得到的顆粒物，并把它放干燥后進行測量和計算。

二、對實驗進行分析

關于Sio2溶膠的特質：從實驗的結果可以看到，溶膠粒子的粒徑都比10nm還要小，溶膠簇團是由這些粒子構成網狀結構而形成的，也叫團聚體，它們的粒徑分布狀況大部分都是25nm，溶膠的PH大小為8.8。膜層光學性質受鍍膜數據的因素影響：由旋轉法得來的Sio2增透膜的波長大于200nm而小于800nm，光學透過率和波長的分布狀況，是雙峰性，第一峰是短波長所對應的峰，第二峰是長波長所對應的峰。

膜的中心透射峰的位置是由加入溶膠時的轉速大小決定的，膜越薄，說明滴加溶膠時的轉速越大，轉速大小與膜的厚度呈反比，所以短波方向和膜層的中心透射峰的峰向接近。膜的中心透射峰與滴加溶膠后的轉速沒有關系，但在實際的過程中，轉速達到一定速度時，基片上的溶膠在短時間就會形成膜，但是在轉速加速的情況下，膜的厚度和中心透射峰不會受到影響，只會對膜層的干燥速度有影響。

在轉速一樣的情況下，膜層高一層1時，每一層膜的光學薄厚度是一樣的，中心透射峰會隨著膜層的不斷增加而加倍增多，所以不同透射峰所測試的光譜數量也在增多，在透射峰值的數據減少時，入射光波的長度減短，這說明Sio2溶膠膜具有吸收介質的性質，當接近基片的本征吸收極限值時，透射率會馬上下降，這時的波長大約是35nm。

當光線垂直射入時，薄膜的物理厚度和折射率可以由弱介質吸收膜中的中心透射峰的波長與透射率來推測和計算出。溶膠的特點、旋轉速度大小和鍍膜的環境會影響利用旋轉法而獲得鍍膜的膜厚度情況；在特殊的溶膠系統和鍍膜情景中，膜層的空縫隙也會影響膜的厚度；轉速的提高對膜層的空隙率沒有多大的影響。

在自混頻效應的測試方法中，可以利用探測器和激光器，制作一個模型，不用大型的會聚透鏡，使儀器微型化，實現它的特殊用途。回射到激光中的光線太強會影響信號的接受情況，從而使信號的推算精度降低，為了提高多普勒測量的信號強度，不但要改進光學體系，還要運用新信號的處理方法和計算方法對信號進行處理，提高其精準度。

三、結論

采用溶膠凝膠的方法，以檸檬酸為還原劑，可以制造出Sio2復合材料，當溫度變化和PH值發生變化時，樣品的結構和性能作用都會發生相對應的改變，通過分析可以發現復合材料的結構不易改變的，表層的銀不容易被氧化，也不容易出現生銹的情況，所以可以維持永久的活性，還可以維持原來的物理化學性能，為實際的運用提供了便利，樣品的表面厚度和粗糙程度與溶液的變化溫度和PH值的變化有關系。樣品的光學性能與銀度大改變和二氧化硅的尺寸的調整有關，在制造過程中，PH為9、10時，Sio2的可見光活性很強，這種方式制造的Sio2的光吸收性能很好，可以當做光催化劑和生化檢測的納米儀器設備。

采用正硅酸乙酯做硅源，氨水當做催化水解正硅酸乙酯的催化劑，在溶液中會形成光滑，尺寸分布均勻的球狀Sio2，這種方式方便易行，制作費用少，不會對環境造成污染，后期的處理也很靈活，在大規模生產中得到普遍使用。

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