氮化物光吸收涂层制备及其性能研究

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光吸收涂层广泛应用在太阳能光热转换、抑制杂散光、热探测器等领域。传统的光吸收涂层材料主要有炭黑、碳纳米管、黑铬、黑镍等,这些材料虽然具备一定的光吸收能力,但存在结构脆弱,或易受使用环境影响,或制备过程易污染环境等缺点。一种优异的光吸收涂层应同时具备膜基结合力强、物化性能稳定、环境友好、可大面积制备以及在宽光谱范围内吸收性能良好等特点。TiAlN是一种三元陶瓷材料,属难溶过渡金属氮化物,物化性能优良,具有高的熔点与硬度,高温下稳定且耐腐蚀,是一种潜在的性能优异性能的光吸收材料。本论文选择TiAlN作为基础膜材料,采用反应磁控溅射技术沉积TiAlN光吸收涂层。通过薄膜沉积工艺和薄膜表面微结构的协同来提升薄膜的光吸收性能。首先调节沉积工艺参数来优化单层TiAlN薄膜的光吸收性能,使其在200-2500nm波段的吸收率达到最高,然后在优化的单层TiAlN薄膜上加载两种不同湿法刻蚀技术刻蚀形成的表面具有“光陷阱”微结构的NiCr合金薄膜,形成双层膜系以进一步提升TiAlN薄膜的吸收率。最后,通过退火实验评估了双层膜系在高温空气气氛下的稳定性。取得的主要研究结果如下:1.磁控溅射法沉积的TiAlN薄膜XRD测试结果表明,薄膜以(200)晶面择优结晶。氮气/氩气流量比、溅射压强和基底温度的变化会影响TiAlN薄膜的表面形貌,薄膜表面形貌的改变则会影响其光吸收性能,总体来说具有粗糙表面的薄膜比光滑的吸收性能好。当Ti靶功率为200W,Al靶功率为200W,溅射压强为1.1Pa,基底温度为200℃时,沉积的TiAlN薄膜在200-2500nm的宽光谱波段光吸收率最好。具体表现在:当入射光波长为200-750nm时,反射率被限制在12%以下,最低的反射率可达到7.5%;在750nm-2500nm波段的多数部分,TiAlN薄膜反射率最高不大于25%。2.选择了本身具备一定光吸收性能的NiCr合金作为TiAlN薄膜的表面微结构层。采用硝酸铈铵化学自由腐蚀法与氢氟酸脱合金腐蚀法两种不同的途径刻蚀NiCr层,结果表明:经硝酸铈铵酸性溶液腐蚀后,样品微观形貌发生改变,不再均匀致密,且宏观上出现“黑化”现象,随着腐蚀时间的增加,“黑化”越明显,即吸收率越高;以氢氟酸为腐蚀液对(NiCr)65Ti35前驱体薄膜进行脱合金腐蚀会形成具有连续网络结构的多孔微结构,增加了入射光在光吸收薄膜内的反射和吸收次数,从而降低了光吸收涂层的反射率。3.研究了TiAlN/NiCr双层吸收膜系的光吸收性能,低温下“TN-HF”膜系的吸收性能略优于“TN-Ce”膜系,但“TN-HF”膜系经300℃/2h退火处理后发生失效,而“TN-Ce”膜系不仅能够承受500℃/2h的退火处理,并且随着退火温度的升高吸收性能更优。
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