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耐高温AgAl-Al_2O_3金属陶瓷薄膜制备、热稳定性及其光学特性研究

涂承君  
【摘要】:由于金属陶瓷材料在可见光和近红外区域吸收能力强,而在红外区域发射率较低,且具备较好的高温稳定性,因而它们是理想的高温太阳能选择性吸收涂层材料。金属Ag高温抗氧化能力强,而且在可见光区域具有强烈的表面等离子体共振吸收特性,加之Al2O3陶瓷具有折射率低、耐高温、容易制备等特点,因此,Ag与Al2O3陶瓷复合成的金属陶瓷材料(Ag-Al2O3)可用于高温太阳能选择性吸收涂层的构筑。然而,Ag纳米颗粒在高温下容易扩散、团聚和长大,这很大程度上限制了Ag-Al2O3在高温太阳能光热领域的应用。本文拟采用Al元素合金化Ag金属粒子,来改善高温下Ag-Al2O3膜层内Ag纳米颗粒的扩散、团聚和长大问题,为解决高温下金属陶瓷薄膜吸收层内金属粒子的稳定性提供一种全新的思路。本论文采用Ag、Al和Al2O3多靶共溅射的方法成功地制备出了AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜。沉积过程中,Al的掺入增加了金属陶瓷膜层内金属纳米粒子的形核(即异质形核)点位,使得纳米颗粒的密度增加、尺寸降低,且形状趋于球形化。当Al靶和Ag靶功率分别设定为8W和9W时,获得的AgAl-Al2O3金属陶瓷薄膜经预退火处理后,在500℃下氮气中退火260h,其光学特性依然保持稳定。AgAl-Al2O3薄膜内金属Al的优先扩散和氧化是抑制Ag原子热扩散的根本原因,即热作用下AgAl合金纳米颗粒中金属Al更容易发生外扩散,并且在颗粒表面发生氧化,新生成的Al2O3紧紧包覆在合金纳米颗粒表面,抑制了Ag元素的扩散;同时氧化层包裹的Ag纳米颗粒与未合金化Ag纳米颗粒交错排布,阻挡了未合金化Ag纳米颗粒间的长程扩散、长大,从而AgAl-Al2O3薄膜呈现出理想的热稳定性。Al掺杂量和Ag金属体积百分数会显著影响AgAl-Al2O3薄膜的热稳定性,过量的Al掺杂和Ag体积百分数均会引起AgAl-Al2O3薄膜热稳定性变差。高温下AgAl-Al2O3金属陶瓷吸收膜内金属态的Al容易发生氧化,最终形成Ag-Al2O3薄膜,所以,为指导AgAl-Al2O3太阳能选择性吸收涂层的优化设计,开展相关光学模拟研究非常必要。首先,借助Ag靶功率和基底射频偏压的调控,获得了金属体积百分数可调的Ag-Al2O3金属陶瓷薄膜,模拟计算出不同体积百分数的Ag-Al2O3薄膜的光学常数。在此基础上,建立了Al2O3/低、高金属体积百分数Ag-Al2O3/Al2O3/Ag/石英衬底的Ag-Al2O3太阳能选择性吸收涂层的物理结构模型。模拟结果表明:从Al2O3减反层到金属Ag红外反射层,各层厚度依次为40nm、20nm、60nm、30nm、90nm,且其中高、低金属体积百分数分别约为45%和15%,涂层具有较高的吸收率(93.5%),同时也具有较低的红外发射率。


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