超声辅助对二氧化硅溶胶-凝胶及其减反膜性能的影响*
田永涛1,2
,蔡志端1,苍利民1,江冰洁1,阎 韬1,万志刚1
(1 河南安彩高科股份有限公司博士后工作站,安阳455000;2 郑州大学物理工程学院
材料物理教育部重点实验室,郑州450052
)摘要  采用提拉法涂膜,以正硅酸乙酯、乙醇等为原料制备了二氧化硅减反溶胶。溶胶在陈化4天后超声振荡,其薄膜透过率增量可达4.75%。溶胶放置30天镀膜后增透效果仍超过4%。未经超声振荡处理的溶胶,其薄膜透过率相对较低,且30天内其膜增透效果随陈化时间的延长逐渐增加。结果表明,超声辅助有助于缩短陈化时间,延缓溶胶的凝胶过程。
关键词  减反 SiO2溶胶 陈化时间 超声振荡中图分类号:TB321     文献标识码:A
Effect of Ultrasonic Agitation on Prop
erties of the SilicaSol and Its Anti-reflective Coating
TIAN Yongtao1,
2,CAI Zhiduan1,CANG Limin1,JIANG Bingj
陈好老公刘海峰年龄ie1
,YAN Tao1,WAN Zhigang
1(1 Post-doctoral Center,Henan Ancai High-technology Co.,Ltd,Anyang 455000;2 Ministry of EducationLaboratory of Material Physics,School of Physical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450052)Abstract  The silica sol was prepared from tetraethylorthosilicate(TEOS),ethanol,denized H2O and NH3·H2O.The anti-reflective coating was formed by dip-coating method.The ultrasonic agitation was used for 30min,af-ter the SiO2was aged for 4days.For the 4days aged sol after ultrasonic agitatio
n,transmittance increment of film was4.75%.The transmittance increment of film was higher than 4%after the sol was stored for 30days.For the filmwithout ultrasonic agitation,the transmittance increment was lower and increased with aging time,up to a maximumin 30days.The results show that the ultrasonic agitation could shorten the sol aging time and delay 
gelation process.Key 
words  anti-reflection,SiO2sol,aging time,ultrasonic agitation *国家自然科学基金(
11104253;11074224) 田永涛:男,副教授,硕士生导师,研究方向为低维材料及其性能 E-mail:tiany
tao@sina.com0 引言
减反膜(也叫增透膜)在现代光学薄膜生产中占有十分重要的地位,被广泛应用于光学设备、太阳能电池、激光系统
等领域[1,2]
。1986年Thomas等发现氨催化的正硅酸乙酯水
解得到的SiO2溶胶,胶体颗粒为球形,直径为几十纳米,制备的薄膜由球形颗粒堆积而成,结构多孔,孔隙率可达57%,折射率约为1.22,可对玻璃实现单层膜增透,因此SiO2减反膜制备、折射率的调控等研究成为减反膜领域的一个重要方
希林娜依高向[
3,4]
。同时溶胶-凝胶法镀膜因具有制作成本低、涂膜简单、便于大面积成膜、产品光学性能好和容易清理等优点而受到
人们的广泛关注[5,6]
。采用溶胶-凝胶法制备的SiO2减反射膜也成为提高太阳能电池转换效率的有效途径之一[
7,8]
。通常以正硅酸乙酯(TEOS)为原料,在酸或碱催化下,经水解、缩聚反应制备SiO2溶胶。林健
[9]
对酸、碱催化机理做
了研究。碱性催化所得溶胶,胶体颗粒为球形[
10-13]
。S.Tabatabaei等研究了碱性催化条件下,
慢灵魂不同溶剂对胶体粒子形成的影响[14]
。对于酸催化条件下制备的SiO2薄膜,工艺参数对薄膜的影响已有大量报道[15-17]
,研究表明pH值、
反应温度、n(H2O)/n(TEOS
)比值等参数对薄膜性能均有较大的影响。相关报道也详细研究了TEOS水解条件、
溶胶陈化时间对SiO2薄膜性能的影响
[18]
,其中陈化时间是影响其性能的最重要的因素之一,它直接影响溶胶体系中缩聚反应的
进程[
19]
。本实验在SiO2溶胶陈化过程中,通过超声辅助缩短溶胶陈化时间并提高减反膜透过性能。
1 实验
SiO2溶胶同样以正硅酸乙酯(
高纯)、乙醇(分析纯)、去离子水和氨水(分析纯,NH3含量25%)为原料。所得溶胶密闭保存,陈化4天。将SiO2溶胶等量分为2份,一份超声振荡30min,密封保存室温陈化;另一份直接密封室温陈化。2份SiO2溶胶分别经不同陈化时间后镀膜。
实验采用提拉法镀膜,以洁净压延玻璃(安彩高科股份
·861·材料导报  2
013年11月第27卷专辑22
有限公司)为衬底。镀膜样品在室温下固化。提拉过程中,速度分别为100mm/min、140mm/min、160mm/min、180mm
/min、200mm/min、220mm/min、240mm/min、300mm/min
,以选取得到最佳透过率的提拉速度。采用奥博泰科技有限公司PID052002-GST2气浮台式光谱透射比测量系统测试薄膜透过率,该系统在可见光波长范围(380~780nm)
根据GB/T2680-
94定义了一个平均透过率。2 结果与讨论
SiO2溶胶陈化4天后提拉镀膜,样品透射率增量随波长变化的曲线如图1所示。实验过程中,透过率增加量较高的提拉速度为160mm/min和180mm/min,平均透过率增量分别为2.65%和2.48%
图1 未超声振荡SiO2溶胶陈化4天1
60mm/min(a)和180mm/min(b)提拉镀膜样品的透过率增量Fig.1 Transmittance of the samples by the optimal speed of160mm/min(a)and 180mm/min(b)from SiO2s
olafter aging time of 4days without ultrasonic agitation取陈化4天,超声振荡30min的SiO2溶胶镀膜,样品透射率增量
随波长变化的曲线如图2所示。实验过程中,透过率增加量较高的提拉速度仍然为160mm/min和180mm/min,平均透过率增加量分别为4.35%和4.75%
图2 经超声振荡SiO2溶胶陈化4天1
fx组合krystal
60mm/min(a)和180mm/min(b
)提拉镀膜样品的透过率增量Fig.2 Transmittance of the samples by 
the optimal speed of160mm/min(a)and 180mm/min(b)from SiO2s
ol afteraging time of 4days with ultrasonic agitation对比发现,超声振荡后,薄膜的增透效果明显提高。为进一步分析超声振荡产生的影响,将2份镀膜液分别陈化不同时间后镀膜。
取未经超声振荡直接密封陈化的SiO2溶胶,陈化4天、20天、30天、37天的样品分别镀膜,
透射率增量随波长变化的曲线如图3所示。陈化4天样品透过率较高的提拉速度为160mm/min和180mm/min
,平均透过率增量分别为2.65%和2.48%;陈化20天和30天样品透过率较高的提拉速度为100mm/min和140mm/min,对应的平均透过率增量分别为3.28%和2.79%(20天),4.08%和3.61%(30天);陈化37天样品透过率较高的提拉速度为50mm/min和
80mm/min,平均透过率增量分别为3.66%和3.26%
图3 未超声振荡SiO2溶胶不同陈化时间下
镀膜样品的透过率增量
Fig.3 Transmittance of the samples from SiO2s
冯绍峰林允ol afterthe aging 
time of 4days,20days,30days and 37dayswithout ultrasonic agitation respectively
取超声振荡30min的SiO2溶胶,陈化4天、20天、30天、37天的样品分别镀膜,透射率增量随波长变化的曲线如图4所示。其中陈化4天、20天、30天的样品透过率增加较高的提拉速度为160mm/min和180mm/min
,对应的平均透过率增加量分别为4.35%和4.75%(4天),4.13%和3.77%(20天),4.32和3.99%(30天);陈化37天的样品透
过率增加较高的提拉速度则变为100mm/min和140mm/min,对应的平均透过率增加量分别为4.34%和4.08%。
由图3可知,未经超声振荡的样品适当延长陈化时间可显著提高膜层减反性能。其原因是:(1)
陈化时间直接影响溶胶粒子的大小。SiO2膜层要起到较好的减反效果,
需要较高孔隙率[3]
,充分的陈化时间能使水解缩聚反应充分进行,
形成合适尺寸的溶胶粒子,提高薄膜孔隙率。(2)陈化时间影响溶胶的粘度。溶胶在初期粘度较低,簇团的粒度也很小,
膜层的增透效果不明显;随着陈化时间的延长,溶胶的粘度变化趋于平缓,簇团的粒度也逐渐增大,所制得的膜层减
反效果较好[
6]
。对比图3和图4可知,超声振荡处理可缩短SiO2溶胶陈化时间。振荡后陈化4天的溶胶其增透率已经达到4.35%
·
961·超声辅助对二氧化硅溶胶-凝胶及其减反膜性能的影响/田永涛等
和4.75%,未振荡的溶胶陈化了30天其增透率才达到4.08%和3.61%。超声振荡处理还可以提高溶胶的稳定性,经振荡处理的溶胶对应的最佳提拉速度数值下降较慢。陈化4天的溶胶对应的最佳提拉速度均为160mm/min和180
mm/min,未振荡的SiO2溶胶陈化20天对应速度降为100mm/min和140mm/min,陈化37天对应速度已降为50mm/min和80mm/min;而振荡后的SiO2溶胶陈化30天对应的最佳提拉速度仍保持160mm/min和180mm/min
,陈化37天后下降为100mm/min和140mm/min
。图4 SiO2溶胶不同陈化时间下经超声振荡处理后
镀膜样品透过率增量
Fig.4 Transmittance of the samples from SiO2s
ol afterthe aging 
time of 4days,20days,30days and 37dayswith ultrasonic agitation respectively
3 结论
SiO2溶胶水解缩聚反应过程中,适当的超声辅助有助于缩短陈化时间。未经超声振荡的溶胶,需陈化30天后镀膜的增透率相对最佳,可达4.08%;经超声振荡的溶胶,陈化4天后,镀膜的增透率即可达4.75%。同时适当的超声辅助,可延缓溶胶的凝胶过程,经超声振荡的溶胶,放置30天镀膜后增透效果仍超过4%。超声辅助可获得性能较稳定的SiO2溶胶,从而获得增透性能较好的增透膜。
参考文献
1 张家斌,
付秀华,贺才美.可见与近红外增透膜的设计和制备[J].激光与红外,2009,39(5):5282 晏良宏,
匙芳廷,蒋晓东,等.疏水疏油二氧化硅增透膜的制备[J].无机材料学报,2007,22(6):1247
3 Thomas I M.High laser damage threshold p
orous silica an-tireflective coating[J].Appl Opt,1986,25:14814 Semon P A,Vong W M S,Bazin N,et al.Recent develop
-ments in silica sol-g
el antireflection(AR)coatings[J].ProcSPIE 1995,2633:4645 陈娟,蒋继富,赵宗彦,等.纳米多孔SiO2功能薄膜制备方
法的研究进展[J].材料导报,2007,21(专辑Ⅷ):586 马永新,
周友苏,万春平.溶胶-凝胶法二氧化硅增透膜的制备与研究[J].航天器环境工程,2008,25(3):2987 付甜,
吴广明,沈军,等.溶胶-凝胶法制备宽带减反膜[J].功能材料,2003,34(5):5798 Shen Jun,Xie Zhiyong,Wu Xiaoxian,et al.Sol-g
el derivedSiO2antireflective(AR)coating 
used in solar cell[J].RareMet Mater Eng
,2008,37(S2):479 林健.催化剂对正硅酸乙酯水解-聚合机理的影响[J].
无机材料学报,1997,12(3):36310Ibisate M,Zou Z,et al.Arresting,fixing,and separating
周渝民女友dimers composed of uniform silica colloidal spheres[J].AdvFunct 
Mater,2006,16:162711St ber W,Fink A,Bohn E.Controlled g
rowth of monodis-p
ersed spheres in the micron size range[J].J Colloid InterfSci,1968,26:62
12Bogush G H,Tracy 
M A,Zukoski C F.Preparation ofmonodisperse silica particles:Control of size and mass frac-tion[J].J Non-Cry
st Solids,1988,104:9513Giesche H.Controlled growth reaction and continuous p
ro-duction process[J].J Eur Ceram Soc,1994,14:20514Tabatabaei S,Shukohfar A,Ag
hababazadeh R,et al.Ex-perimental study 
of the synthesis and characterisation of sil
i-ca nanoparticles via the sol-gel method[J].J Phys Confe-rence 
Series,2006,26:37115Glaser P M,Pantano C G.Effect of the H2O/TEOS 
ratioup
on the preparation and nitridation of silica sol/gel films[J].J Non-Cryst Solids,1984,63:20916Yoldas B E.Process induced variations in sol-g
el derivedoxide coatings[J].Proc SPIE,1990,1328:29617Yoldas B E.Deposition and properties of optical coating
sfrom polymerized solutions[J].Appl Opt,1982,21(16):2960
18熊华山,陈宁,张清华,等.Sol-gel制备SiO2增透膜的研
究[J].功能材料,2004,35(4):485
19刘会娟.
溶胶-凝胶法制备有机硅掺杂的有机无机复合疏水性减反射膜的研究[J].光学技术,2003,33(2):308
·071·材料导报  2
013年11月第27卷专辑22