在線Low_E玻璃光學(xué)特性機理及其功能層光學(xué)常數(shù)的確定

1、文章編號:100525630(2006 0420129204在線L ow 2E 玻璃光學(xué)特性機理及其功能層光學(xué)常數(shù)的確定黃水平1, 2, 王利1, 徐劍1, 王占山1, 張若京3(1. 同濟(jì)大學(xué)精密光學(xué)工程技術(shù)研究所, 上海200092;2. 寧波大學(xué)理學(xué)院, 浙江寧波315211;3. 同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院, 上海200092摘要:從D rude 色散理論和薄膜光學(xué)的基本方法出發(fā), 用理論公式對在線L ow 2E 玻璃的透射譜線進(jìn)行擬合, 得到了L ow 2E 玻璃功能層的光學(xué)常數(shù)。利用B u rstein 2M o ss 理論, 計算得到了功能層的自由載流子濃度; 理論計算與實驗結(jié)果

2、的一致性表明, D rude 理論不僅能很好地定量解釋在線L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性, 而且為在線L ow 2E 玻璃光學(xué)常數(shù)的理論計算提供了一種切實可行的方法。關(guān)鍵詞:在線L ow 2E 玻璃; 光學(xué)特性機理; 中圖分類號:O 434; TB :property m echan is m of on l i ne L ow -E gla ss and deter m i na tionof optica l con stan ts of functiona l coa ti ngH UA N G S hu i 2p ing 1, 2, W A N G L i 1, X U J ian 1

3、, W A N G Z han 2shan 1, ZH A N G R uo 2j ing 3(1. In stitu te of P recisi on Op tical Engineering , Tongji U n iversity , Shanghai 200092, Ch ina ;2. Facu lty of Science , N ingbo U n iversity , N ingbo 315211, Ch ina ;3. Schoo l of A ero space Engineering and A pp lied M echan ics , Tongji U n ive

4、rsity , Shanghai 200092, Ch ina Abstract :B ased on the D rude theo ry and basic m ethod fo r th in fil m op tics , the op tical con stan ts of functi onal coating of on line L ow 2E glass are ob tained by fitting the cu rve of m easu red tran s m issi on sp ectrum u sing theo retical fo rm u la . M

5、 eanw h ile , the carrier concen trati on of functi onal coating is calcu lated in term s of B u rstein 2M o ss theo ry . T he un ity of theo retical and exp eri m en tal resu lts has suggested that the D rude theo ry can no t on ly exp lain the op tical p rop erties of on line L ow 2E glass very w

6、ell , bu t also p rovide a p ractical m ethod fo r the calcu lati on of op tical con stan ts of on line L ow 2E glass .Key words :on line L ow 2E glass ; op tical p rop erty m echan is m ; op tical con stan ts1引言低輻射鍍膜玻璃(low 2em issivity coating glass , L ow 2E 玻璃 是一種在可見光波段具有高透射率、在遠(yuǎn)紅外波段具有高反射率(80%以上 和

7、低吸收性的鍍膜玻璃。它既可滿足建筑物良好的采光要求, 又可有第28卷第4期2006年8月光學(xué)儀器O PT I CAL I N STRUM EN T S V o l . 28,N o. 4A ugu st, 2006收稿日期:2006206230基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(60544005作者簡介:黃水平(19652 , 男, 江西豐城人, 副教授, 博士研究生, 主要從事光學(xué)薄膜與光電檢測方面的研究。效地阻擋玻璃以輻射形式傳遞熱量, 具有很好的隔熱性能, 是一種新型的綠色、節(jié)能、環(huán)保玻璃產(chǎn)品, 具有十分廣闊的市場前景?，F(xiàn)研究的6mm 在線L ow 2E 玻璃共有兩個膜層。其中, 第一層

8、為功能層(即低輻射層 , 主體成分是F 摻雜的SnO 22n 2型導(dǎo)電薄膜, 導(dǎo)電性質(zhì)與金屬很接近。由于高濃度的(1020c m -3 自由電子吸收, 在中遠(yuǎn)紅外區(qū)SnO 2有80%以上的反射率, 故SnO 2有阻斷遠(yuǎn)紅外熱輻射能的功能。第二層為過渡層, 是以Si O x C y 為主體的膜層。過渡層的作用有兩個, 一是抑制熱玻璃基體中的堿金屬離子以受主雜質(zhì)的形式擴散到功能層, 以免引起功能層導(dǎo)電率降低和L ow 2E 玻璃霧度(即玻璃對光的散射作用 的增加。二是消色作用, 無過渡層的L ow 2E 玻璃呈微藍(lán)色, 添加過渡層后, L ow 2E 玻璃會與普通無膜浮法玻璃一樣變?yōu)闊o色。過渡層材

9、料在可見光和近紅外波段的折射率為1. 7左右。2L ow -E 玻璃光學(xué)特性機理分析L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性可簡單概括為:可見光和近紅外波段的高透射性(透明區(qū) , 遠(yuǎn)紅外波段的高反射性(反射區(qū) 。L ow 2E 玻璃的這種宏觀光學(xué)特性與金屬的宏觀光學(xué)特性非常相似:紫外波段透明(透明區(qū) , 可見光波段具有高反射性(反射區(qū) 。L ow 2E :良好的導(dǎo)電性能和較高的自由電子濃度。L ow 2E 玻璃與金屬的不同之處在于:, 即金屬透明區(qū)與反射區(qū)的分界點頻率更高。(D rude 色散理論加以解釋。, 而材料的, 分界點頻率越高。若以; 若以L ow 2E 玻璃內(nèi)的自由電子濃度估算, 。這兩個估

10、算結(jié)果均與實際情況相符。由此可以知道, L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性的機理與金屬的光學(xué)特性的機理相同, 即主要是自由電子與光的相互作用所引起。德魯特色散理論不僅能夠解釋金屬和L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性, 而且可以解釋為什么L ow 2E 玻璃的透明區(qū)頻率比金屬要低。根據(jù)德魯特色散理論, 自由電子對介電常數(shù)實部1和介電常數(shù)虛部2的貢獻(xiàn)可表示為1, 21=(1-22+2 (1 2=23+2(2式中, 為高頻介電常數(shù), p 為等離子體頻率, 為馳豫頻率(馳豫時間的倒數(shù) , 為光波頻率。對(1 式和(2 式作進(jìn)一步分析可知3, 當(dāng)入射光波的頻率(p 2-2 1 2p 時, L ow 2E 玻璃對

11、光表現(xiàn)為強反射; 而當(dāng)入射光波的頻率>(p 2-2 1 2p 時, L ow 2E 玻璃對光表現(xiàn)為透射。因此, p 確定了L ow 2E 玻璃透射區(qū)的下限頻率。另一方面, 當(dāng)入射光子的能量超過L ow 2E 玻璃功能層(SnO 2F 的光學(xué)禁帶寬度時, 會發(fā)生基本吸收, 使的滲透深度很小, 因此, 功能層的光學(xué)禁帶寬度成為確定L ow 2E 玻璃透射區(qū)上限頻率的主要因素。由于上述下限頻率與上限頻率的存在, 故L ow 2E 玻璃透明區(qū)的范圍一般包含近紅外和可見光兩個波段。3基于德魯特模型的L ow -E 玻璃功能層光學(xué)常數(shù)的確定根據(jù)L ow 2E 玻璃的膜層結(jié)構(gòu), L ow 2E 玻璃膜

12、系的特征矩陣可表示為:B C =co s 1i sin 1 (n 1-ik 1 i (n 1-ik 1 sin 1co s 1co s 2i sin 2 n 2in 2sin 2co s 21n s -ik (3其中, n 1-ik 1和n s -ik s 分別為功能層和浮法玻璃基底的復(fù)折射率(k s 在400nm 2000nm 波段很小, 可不計 , n 2為過渡層的折射率(根據(jù)廠家提供的基本數(shù)據(jù), 在400nm 2000nm 波段范圍內(nèi)取1. 7 ;1=2(n 1-ik 1 d 1 , 2=2n 2d 2 分別為功能層和過渡層的位相厚度; d 1, d 2分別為功能層和過渡層031光學(xué)儀器

13、第28卷的空間厚度; 為光波長。進(jìn)入玻璃基底的光透過率為:T = n 0B +C(4 考慮基底后表面的反射后的透射率為:T =1-R s R T T s (5其中, T s , R s 分別為浮法玻璃基底的單面透射率和單面反射率。根據(jù)電磁波理論有:n 12-k 12=1, 2n 1k 1=2(6由(1 式(6 式可得D rude 模型下L ow 2E 玻璃的透射率T 與光波長, 基底折射率n s , 高頻介電常數(shù), 離子體頻率p , 馳豫頻率, 薄膜厚度d 之間的關(guān)系式。其中, p , , d 為常量, 可通過理論公式對測量數(shù)據(jù)的擬合得到。玻璃基底的折射率n s , 消光系數(shù)k s , 單面反

14、射率R s , 單面透射率T s 由未鍍膜浮法玻璃基底的透射譜和反射譜聯(lián)合計算得到。4測量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果根據(jù)上述方法, T 與光波長及功能層光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系式, ow E 玻璃透射譜進(jìn)行擬合, 如圖1, 可得到L ow 2E 玻璃功能層的光學(xué)常數(shù)。擬合得到的L ow 2E 玻璃功能層光學(xué)常數(shù)為:=3. 81, p =9. 96×1014(rad s , =3. 10×1014(H z , d =314. 7(nm 。由擬合得到的p 可估算出L ow 2E 玻璃透射區(qū)與反射區(qū)的分界波長大約為:p =2C p 1. 89m , 與測量結(jié)果(1. 94m 基本相符, 見圖2(以透

15、過率和反射率相等的波長作為透射區(qū)與反射區(qū)的分界波長。 圖1L ow 2E 玻璃在可見光和近紅外范圍的透射譜線圖2L ow 2E 玻璃的光譜特性由擬合出的光學(xué)常數(shù)及(1 式, (2 式, (6 式, 得到了功能層折射率和消光系數(shù)的色散特性, 見圖3。由圖3可知, 在可見光和近紅外區(qū), 功能層的折射率在1. 9左右。SnO 2為允許的直接躍遷半導(dǎo)體材料, 在本征吸收邊附近, 吸收系數(shù)與禁帶寬度的關(guān)系為4:h (h -E g 1 2。作(h 2h 關(guān)系曲線, 用外推法求得E g =3. 817eV , 如圖4所示。與SnO 2本征半導(dǎo)體的禁帶寬度(3. 6eV 相比, 光學(xué)禁帶寬度展寬了0. 22e

16、V , 這是B u rstein 2M o ss 效應(yīng)所致。由光學(xué)禁帶寬度展寬大小E 與自由載流子濃度n e 之間的關(guān)系式5E g =28m (2 3n 2 3e (7求得自由載流子濃度為n e =4. 49×1020(1 c m 3 , 與霍耳效應(yīng)測量的結(jié)果4. 25×1020(1 c m 3 基本相符。 圖3L ow 2E 玻璃功能層的折射率和消光系數(shù)色散曲線圖4L ow 2E 玻璃功能層的T auc 曲線利用四探針測試儀測得L ow 2E 薄膜的方塊電阻R 為208 。L ow 2E 玻璃在遠(yuǎn)紅外波段的反射率R 反可由下列公式近似計算5:R 反=(1+0. -2(8

17、經(jīng)計算, 薄膜的遠(yuǎn)紅外反射率約為82%。2 基本相符。5結(jié)論在線L ow 2E 玻璃為樣品, 在對L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性機理進(jìn)行定量分析與研究的基礎(chǔ)上, 從德魯特(D rude 色散理論和薄膜光學(xué)的基本方法出發(fā), 利用在線L ow 2E 玻璃膜系的特征矩陣, 得到了在線L ow 2E 玻璃的透射率與功能層光學(xué)常數(shù)之間的關(guān)系式。用所得的理論公式對測得的透射譜線進(jìn)行擬合, 得到了L ow 2E 玻璃功能層的光學(xué)常數(shù)。理論計算與實驗結(jié)果的一致性表明, 德魯特理論不僅能很好地定量解釋在線L ow 2E 玻璃的光學(xué)特性, 而且為在線L ow 2E 玻璃光學(xué)常數(shù)的理論計算提供了一種切實可行的方法。

18、6參考文獻(xiàn)1方容川. 固體光譜學(xué)M . 合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社, 2001. 1535.2Shanth i E , D utta V , Banerjee A , et al . . E lectrical and op tical p roperties of undoped and anti m ony 2doped tin oxide fil m s J . J A pp lP hy s , 1980, 51(12 :62436250. 3孟揚, 楊錫良, 陳華仙, 等. 高價態(tài)摻雜氧化物透明導(dǎo)電薄膜的研究J. 光電子技術(shù), 2001, 21(1 :1723.4R akh shani A E,M akdisi Y, R am azaniyan H A. E lectronic