TiO2/Ag/TiO2低辐射薄膜光谱特性的研究

赵亚丽，吕志鹏，魏 敏

（晋中学院物理学院，山西晋中030619）

0 引言

近年来，世界能源危机日益加重［1］20～25，节能环保意识融入人们生活.大面积玻璃幕墙在现代建筑中广泛应用，但普通建筑玻璃的传热系数远高于砖体结构的墙壁，因此降低了建筑物保温隔热的性能，增加了建筑物的能源消耗.据数据表明，我国现存的430亿平方米建筑中，有99%的建筑属于高能耗建筑，这一数据是国际上气候条件相近其他国家的2.2倍［2］16～18，据统计，在建筑物的能量耗散中，玻璃门窗所耗散的能量超过了整个建筑物能量损失的 35%［3］6～9，通过建筑玻璃的热交换而损失的能耗占到 50%以上［4］11～13，因此，降低建筑物能耗需先降低建筑玻璃的热交换.而低辐射薄膜玻璃是具有此功能的一种节能玻璃产品，被誉为21世纪最理想的建筑玻璃材料.

建筑玻璃能耗主要原因是热传导、热对流和热辐射三种方式.采用双层玻璃可在一定程度上降低由于热对流产生的能量损耗.而双层玻璃对太阳能透射和热能量辐射传热却收效甚微.而辐射传热是造成建筑玻璃能耗的主要原因.目前，发达国家主要采用低辐射玻璃门窗.低辐射门窗就是具有较高的太阳能反射率和可见光透过率，既能满足室内采光度又能有很好的节能效果.通过低辐射玻璃，可大幅度降低由玻璃引起的建筑能耗［3，5，6］.经过几十年的研究，低辐射玻璃已从单一的金属膜体系发展到半导体氧化物薄膜体系，很好地解决了金属膜沉积在玻璃基体上易磨损和易氧化的问题，延长了低辐射玻璃的使用寿命［2］.

随着低辐射薄膜在建筑中的广泛应用以及对它的深入研究，低辐射薄膜的可见光透射率和红外光反射率逐渐成为目前的研究热点［7］.低辐射薄膜的中间金属层起着反射红外线的重要作用，从成本和性能方面考虑，近年来使用的离线低辐射薄膜多为银基低辐射膜［8］.针对透光率和辐射率相互制约的问题，本文研究了银基膜层结构对其透光率和辐射率的影响规律，采用光学薄膜设计软件TFCalc对膜层结构进行优化，寻求一种较佳的银基膜层结构，使得透光率和辐射达到较好匹配的研究目的.TFCalc可以用来计算膜系反射率、透射率、吸收率、光密度、损失、颜色、亮度、电场强度计算并绘制表格.

1 研究结构模型

本论文的研究对象是由金属Ag和电介质膜TiO2构成的三层膜系结构［8］，其结构如图1所示.较金属Au、Ag和Al薄膜，Ag膜具有较高的红外反射率和较低的可见光吸收率［9］.由此选择金属Ag为金属膜层.TiO2膜在可见光区域内是透明的，且具有较高的稳定性和机械硬度［10］，因此选择TiO2膜为电介质膜层.

图1 三层膜系（TiO2/Ag/TiO2）结构图

2 结果和讨论

2.1 单层金属Ag膜的光谱性能

首先采用TFCalc对不同膜厚的Ag膜在垂直入射时的透射率和反射率进行计算（见图2）.从图2可得出，单层Ag膜在可见光波区域有较低的反射率且有较高的透射率，进入红外波段后，反射率急剧上升，透射率急剧下降.在波长大于1200 nm后，反射率随波长增加而相应提高.随着金属Ag膜厚的增加，其可见光透光率降低，而红外的反射率相应提高.当Ag薄膜厚度为10 nm时，透光率不到80%，而当Ag膜厚度为25nm时，透光率降低到不到40%.可见将单层的Ag薄膜作为可视窗口存在透光率低和透光率曲线窄等不足，且其透光率曲线窄会影响其可视的色泽感.

图2 膜厚为10 nm～30 nm的Ag膜在300 nm～2 000 nm的反射率（图a）与透射率（图b）

为了综合考虑其可见光透光率和红外反射率，其金属Ag膜厚不要大于20nm.因为当Ag大于20nm后，其红外放射率不再随着膜厚增加而明显提高，但可见光透光率却随着膜厚增加而明显降低.

2.2 TiO2膜厚对TiO2/Ag/TiO2复合薄膜光谱特性的影响

当可见光和红外垂直入射时，TiO2膜厚对其TiO2/Ag/TiO2的光谱特性发挥着很大作用，见图3.本文采用TFCalc对对称结构TiO2/Ag/TiO2的TiO2膜厚的特性以及影响展开研究.内外层的TiO2厚度分别选用15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm 和 60nm，Ag层的厚度固定为 10nm，计算结果见图3.比较图3的（a）和（c），（b）和（d）发现，TiO2膜厚一旦大于35nm时，虽然其可见光透光率曲线变宽，变得更为平滑，但在900 nm到1200 nm的反射率明显降低，且随着TiO2膜厚增加，其反射性能进一步降低，反射带进一步拓宽.这对提高其红外反射率是不利的.为此，要想同时获得较高的可见光透光率和红外反射率，TiO2膜厚需小于35nm.与10nm的单层Ag薄膜相比，TiO2/Ag/TiO2复合薄膜的透光率明显提高，从75%提高到90%以上.由此可得，采用TiO2/Ag/TiO2结构对提高Ag薄膜可见光透光率是十分有效的，但另一方面其红外的反射性能也相应降低.

比较图3的（a）和（b）15nm厚度的TiO2复合膜的可见光平均透射率较低，且波峰靠左，短波长方向，在波长为335nm时，得到的最高透射率Tmax为90%.随着TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2复合膜可见光透射率曲线的波峰向长波长方向移动，最大可见光透射率Tmax和波长覆盖宽度W70也有不同程度的变化.当TiO2厚度为25nm时，曲线的可见光透射率最大，波长为430nm时，Tmax可达94%，而且波长覆盖范围也最广，W70约为240nm.而当TiO2厚度为30nm时，在波长460nm时，Tmax为90%，W70约为170nm.由此可见，随着TiO2厚度的增大，TiO2系低辐射薄膜的可见光透射率波峰位置不断向长波长方向移动，峰值Tmax是先增大后减小，在TiO2厚度为25nm时，获得最高值.波长覆盖范围W70也是呈现为先增大后减小的变化规律，同样在TiO2厚度为25 nm时，获得最大值240nm.

图3 TiO2厚度为15 nm～60 nm时，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（图a和图c）与透射率（图b和图d）

2.3 Ag膜厚对TiO2/Ag/TiO2复合薄膜光谱特性的影响

当TiO2厚度为25 nm时，可获得较高的可见光透光率.当TiO2固定为25nm，且Ag膜的厚度为小于20nm.本节进一步研究可见光和红外垂直入射时，Ag膜厚对TiO2/Ag/TiO2复合薄膜光谱特性的影响.其中Ag膜厚分别为10nm、15nm、20nm，TiO2膜厚为25 nm.采用TFCalc对其光谱特性进行计算，见图4.

比较图4和图2，发现采用TiO2/Ag/TiO2结构对提高其透光率是很有帮助的.与单层20 nm的Ag膜相比，TiO2/Ag/TiO2可见光透光率从不到50%提高到90%.从图4（a）和（b）发现随着金属膜层厚度增加，其在红外的反射率相应增强，可见光透光率曲线相应变窄.值得注意的是，TiO2/Ag/TiO2最大可见光透光率都近90%，并没有随着Ag膜厚增加而相应降低.当Ag膜厚从10nm增加到15 nm时，红外反射率增强的强度明显优于其可见光透光降低强度.为此，为了同时获得较高的可见光透光率和红外反射率，选取Ag膜厚为15 nm.

图4 Ag厚度为10 nm～20 nm时，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（图a）与透射率（图b）

2.4 入射角度对TiO2/Ag/TiO2复合薄膜光谱特性的影响

当每层TiO2膜厚为25nm，Ag膜厚为15nm时，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可见光透光率和红外反射性能.采用TFCalc分别对含25nmTiO2膜和15nm的Ag的复合薄膜的不同入射角度下的光谱特性进行计算，见图5（a）和（b）.从图5中可以看出，一开始随着入射角度增加，可见光透光率降低不明显.而当入射角大于45°后，可见光透射率随入射角度的增加而急剧降低.当入射角度达到85°时可见光透射率最小值Tmin为10%.而红外反射率随入射角增加变化较小，只有在入射角为85°时，红外反射性能有明显的增强.由此可见，在入射角45°范围内，TiO2/Ag/TiO2可表现良好的可见光透光率和红外反射率.

图5 Ag厚度为15 nm，TiO2厚度为25 nm时，TiO2/Ag/TiO2膜在不同入射角度下的反射率（图a）与透射率（图b）

3 结论

本文采用TFCalc对Ag和TiO2/Ag/TiO2复合薄膜可见光和红外光谱特性进行研究.研究结果表明，Ag膜随膜厚的增加，可见光透光率会相应降低，红外反射率相应提高.当Ag膜厚度为20nm时，可见光透光率不到50%.随TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2透射率波峰红移.当TiO2膜厚大于30nm后，随TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2红外反射率相应降低.当TiO2膜厚为25nm时，TiO2/Ag/TiO2同时具备较高的可见光透光率和红外反射率.随Ag膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2可见光透光率的峰值并没有随Ag膜厚的增加而相应降低，但曲线宽度相应降低，同时其红外反射率相应提高.研究结果表明，TiO2和Ag膜分别为25nm和15nm时，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可见光透光率和红外反射率，其最大可见透光率可达90%，远远大于单层Ag膜的透光率.在入射角45°范围内， 该结构的TiO2/Ag/TiO2兼具有良好的可见光透光率和红外反射率.