雾化辅助CVD法制备SnO2基薄膜及光—电—热性能研究

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随着我国经济不断发展,生态文明建设作用和地位日益凸显,人们越来越重视节能减排,其中建筑节能领域是贯彻节能减排措施、实现生态文明社会的重要一环,SnO2基透明导电膜的低辐射性能对建筑节能领域具有重要理论意义和实用价值。传统薄膜制备方法设备复杂、操作维护困难、综合成本高,本文针对低辐射玻璃在线镀膜工艺,利用三维结构设计软件与有限元分析软件优化设计雾化辅助CVD薄膜沉积系统结构,开发出结构简单、易于操作、低成本的薄膜沉积设备。使用该设备在石英衬底上制备SnO2及SnO2:Sb薄膜,借助X射线衍射仪、原子力显微镜、扫描电子显微镜、紫外-可见光光度仪、四探针测试仪等分析仪器,研究了沉积工艺参数对薄膜结构、形貌和光电性能的影响。提出一种基于机器学习的参数优化方法对薄膜沉积工艺参数进行优化,制备出高质量SnO2:Sb低辐射薄膜,并对其进行光学、电学以及热学等性能测试,为多功能低辐射玻璃的应用积累了经验。主要研究结果如下:(1)设备与工艺开发获得雾化辅助CVD薄膜沉积系统。利用三维结构设计软件与有限元分析软件优化设计薄膜沉积系统的结构,结果表明载气模块、雾化模块、液位恒定模块以及反应室间隙对薄膜沉积系统至关重要;反应室温度场分布有限元分析表明具有细通道结构的反应室能更好均匀、稳定的进行薄膜沉积。(2)在石英衬底上制备SnO2及SnO2:Sb薄膜。研究了不同沉积温度对SnO2薄膜生长研究,结构与表面形貌研究结果表明薄膜沉积的最佳温度在425℃附近。为了获取高性能的低辐射镀膜材料,进一步对SnO2:Sb薄膜进行了不同沉积时间和不同前驱体溶液成分的生长研究,并由结果可知,不同沉积时间下薄膜的生长具有非晶态过渡、择优生长和竞向生长三种阶段,较为合适的沉积时间在15 min~45 min之间;HCl含量在一定程度上调控薄膜的生长行为,高性能SnO2:Sb低辐射薄膜的最佳HCl含量为4 m L左右。(3)利用机器学习方法优化SnO2:Sb薄膜的雾化辅助CVD沉积工艺参数,制备出高质量的SnO2:Sb低辐射薄膜。由电学、光学以及对应FOM数值箱线图统计可知,基于自主开发的薄膜沉积系统稳定可靠,实验重复性高;统计数据方差分析表明,影响电学性能变化的因素与影响薄膜变化的因素矛盾,HCl含量和沉积时间是影响薄膜FOM的关键因素。利用SVR结合BO建立稳定的SVR模型,实现模型对制备工艺参数空间内任意参数组合下的FOM数值稳定预测,相对误差保持在25%以内,其可靠性远大于由分别预测电学和光学性能所计算的FOM数值。以SVR模型创建二维云图以探索参数空间内SnO2:Sb薄膜的最佳制备工艺条件,实验结果表明,在Sb掺杂浓度为2 at%,沉积温度为425℃,HCl含量为4.5 m L以及沉积时间在35 min下可得到平均FOM达到324.7的最佳值。(4)最佳工艺参数下SnO2:Sb薄膜表面平整、结构致密,平均晶粒大小约为120 nm,晶粒大小比较均匀,平均厚度约380 nm,可见光平均透过率可达86.61%,方块电阻为21.1Ω?S-1,根据Tauc方程计算SnO2:Sb薄膜带隙宽度Eg为4.26 e V。SnO2:Sb薄膜的隔热性能测试可知,红外灯垂直辐照3小时后SnO2:Sb薄膜玻璃房与普通玻璃房的室内温度差可达2.4℃,具有较好的隔热能力;电热特性可知,在电压10 V下便可达到100℃,较高发热效率使其具有辐射供暖的应用潜力;薄膜表面接触角测试表明,相比于普通玻璃,镀膜玻璃具有更好的亲水性,其浸润角为约为15.26°。以上研究结果对于探究改进低辐射玻璃的在线镀膜工艺、提升镀膜玻璃低辐射性能以及拓展多功能低辐射玻璃的应用研究具有重要意义。
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