趙亞麗，呂志鵬，魏 敏

（晉中學(xué)院物理學(xué)院，山西晉中030619）

0 引言

近年來(lái)，世界能源危機(jī)日益加重［1］20～25，節(jié)能環(huán)保意識(shí)融入人們生活.大面積玻璃幕墻在現(xiàn)代建筑中廣泛應(yīng)用，但普通建筑玻璃的傳熱系數(shù)遠(yuǎn)高于磚體結(jié)構(gòu)的墻壁，因此降低了建筑物保溫隔熱的性能，增加了建筑物的能源消耗.據(jù)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)現(xiàn)存的430億平方米建筑中，有99%的建筑屬于高能耗建筑，這一數(shù)據(jù)是國(guó)際上氣候條件相近其他國(guó)家的2.2倍［2］16～18，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在建筑物的能量耗散中，玻璃門窗所耗散的能量超過(guò)了整個(gè)建筑物能量損失的 35%［3］6～9，通過(guò)建筑玻璃的熱交換而損失的能耗占到 50%以上［4］11～13，因此，降低建筑物能耗需先降低建筑玻璃的熱交換.而低輻射薄膜玻璃是具有此功能的一種節(jié)能玻璃產(chǎn)品，被譽(yù)為21世紀(jì)最理想的建筑玻璃材料.

建筑玻璃能耗主要原因是熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種方式.采用雙層玻璃可在一定程度上降低由于熱對(duì)流產(chǎn)生的能量損耗.而雙層玻璃對(duì)太陽(yáng)能透射和熱能量輻射傳熱卻收效甚微.而輻射傳熱是造成建筑玻璃能耗的主要原因.目前，發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用低輻射玻璃門窗.低輻射門窗就是具有較高的太陽(yáng)能反射率和可見(jiàn)光透過(guò)率，既能滿足室內(nèi)采光度又能有很好的節(jié)能效果.通過(guò)低輻射玻璃，可大幅度降低由玻璃引起的建筑能耗［3，5，6］.經(jīng)過(guò)幾十年的研究，低輻射玻璃已從單一的金屬膜體系發(fā)展到半導(dǎo)體氧化物薄膜體系，很好地解決了金屬膜沉積在玻璃基體上易磨損和易氧化的問(wèn)題，延長(zhǎng)了低輻射玻璃的使用壽命［2］.

隨著低輻射薄膜在建筑中的廣泛應(yīng)用以及對(duì)它的深入研究，低輻射薄膜的可見(jiàn)光透射率和紅外光反射率逐漸成為目前的研究熱點(diǎn)［7］.低輻射薄膜的中間金屬層起著反射紅外線的重要作用，從成本和性能方面考慮，近年來(lái)使用的離線低輻射薄膜多為銀基低輻射膜［8］.針對(duì)透光率和輻射率相互制約的問(wèn)題，本文研究了銀基膜層結(jié)構(gòu)對(duì)其透光率和輻射率的影響規(guī)律，采用光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件TFCalc對(duì)膜層結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，尋求一種較佳的銀基膜層結(jié)構(gòu)，使得透光率和輻射達(dá)到較好匹配的研究目的.TFCalc可以用來(lái)計(jì)算膜系反射率、透射率、吸收率、光密度、損失、顏色、亮度、電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算并繪制表格.

1 研究結(jié)構(gòu)模型

本論文的研究對(duì)象是由金屬Ag和電介質(zhì)膜TiO2構(gòu)成的三層膜系結(jié)構(gòu)［8］，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.較金屬Au、Ag和Al薄膜，Ag膜具有較高的紅外反射率和較低的可見(jiàn)光吸收率［9］.由此選擇金屬Ag為金屬膜層.TiO2膜在可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)是透明的，且具有較高的穩(wěn)定性和機(jī)械硬度［10］，因此選擇TiO2膜為電介質(zhì)膜層.

圖1 三層膜系（TiO2/Ag/TiO2）結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)果和討論

2.1 單層金屬Ag膜的光譜性能

首先采用TFCalc對(duì)不同膜厚的Ag膜在垂直入射時(shí)的透射率和反射率進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖2）.從圖2可得出，單層Ag膜在可見(jiàn)光波區(qū)域有較低的反射率且有較高的透射率，進(jìn)入紅外波段后，反射率急劇上升，透射率急劇下降.在波長(zhǎng)大于1200 nm后，反射率隨波長(zhǎng)增加而相應(yīng)提高.隨著金屬Ag膜厚的增加，其可見(jiàn)光透光率降低，而紅外的反射率相應(yīng)提高.當(dāng)Ag薄膜厚度為10 nm時(shí)，透光率不到80%，而當(dāng)Ag膜厚度為25nm時(shí)，透光率降低到不到40%.可見(jiàn)將單層的Ag薄膜作為可視窗口存在透光率低和透光率曲線窄等不足，且其透光率曲線窄會(huì)影響其可視的色澤感.

圖2 膜厚為10 nm～30 nm的Ag膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a）與透射率（圖b）

為了綜合考慮其可見(jiàn)光透光率和紅外反射率，其金屬Ag膜厚不要大于20nm.因?yàn)楫?dāng)Ag大于20nm后，其紅外放射率不再隨著膜厚增加而明顯提高，但可見(jiàn)光透光率卻隨著膜厚增加而明顯降低.

2.2 TiO2膜厚對(duì)TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)可見(jiàn)光和紅外垂直入射時(shí)，TiO2膜厚對(duì)其TiO2/Ag/TiO2的光譜特性發(fā)揮著很大作用，見(jiàn)圖3.本文采用TFCalc對(duì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)TiO2/Ag/TiO2的TiO2膜厚的特性以及影響展開(kāi)研究.內(nèi)外層的TiO2厚度分別選用15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm 和 60nm，Ag層的厚度固定為 10nm，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3.比較圖3的（a）和（c），（b）和（d）發(fā)現(xiàn)，TiO2膜厚一旦大于35nm時(shí)，雖然其可見(jiàn)光透光率曲線變寬，變得更為平滑，但在900 nm到1200 nm的反射率明顯降低，且隨著TiO2膜厚增加，其反射性能進(jìn)一步降低，反射帶進(jìn)一步拓寬.這對(duì)提高其紅外反射率是不利的.為此，要想同時(shí)獲得較高的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率，TiO2膜厚需小于35nm.與10nm的單層Ag薄膜相比，TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜的透光率明顯提高，從75%提高到90%以上.由此可得，采用TiO2/Ag/TiO2結(jié)構(gòu)對(duì)提高Ag薄膜可見(jiàn)光透光率是十分有效的，但另一方面其紅外的反射性能也相應(yīng)降低.

比較圖3的（a）和（b）15nm厚度的TiO2復(fù)合膜的可見(jiàn)光平均透射率較低，且波峰靠左，短波長(zhǎng)方向，在波長(zhǎng)為335nm時(shí)，得到的最高透射率Tmax為90%.隨著TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2復(fù)合膜可見(jiàn)光透射率曲線的波峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，最大可見(jiàn)光透射率Tmax和波長(zhǎng)覆蓋寬度W70也有不同程度的變化.當(dāng)TiO2厚度為25nm時(shí)，曲線的可見(jiàn)光透射率最大，波長(zhǎng)為430nm時(shí)，Tmax可達(dá)94%，而且波長(zhǎng)覆蓋范圍也最廣，W70約為240nm.而當(dāng)TiO2厚度為30nm時(shí)，在波長(zhǎng)460nm時(shí)，Tmax為90%，W70約為170nm.由此可見(jiàn)，隨著TiO2厚度的增大，TiO2系低輻射薄膜的可見(jiàn)光透射率波峰位置不斷向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，峰值Tmax是先增大后減小，在TiO2厚度為25nm時(shí)，獲得最高值.波長(zhǎng)覆蓋范圍W70也是呈現(xiàn)為先增大后減小的變化規(guī)律，同樣在TiO2厚度為25 nm時(shí)，獲得最大值240nm.

圖3 TiO2厚度為15 nm～60 nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a和圖c）與透射率（圖b和圖d）

2.3 Ag膜厚對(duì)TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)TiO2厚度為25 nm時(shí)，可獲得較高的可見(jiàn)光透光率.當(dāng)TiO2固定為25nm，且Ag膜的厚度為小于20nm.本節(jié)進(jìn)一步研究可見(jiàn)光和紅外垂直入射時(shí)，Ag膜厚對(duì)TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響.其中Ag膜厚分別為10nm、15nm、20nm，TiO2膜厚為25 nm.采用TFCalc對(duì)其光譜特性進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖4.

比較圖4和圖2，發(fā)現(xiàn)采用TiO2/Ag/TiO2結(jié)構(gòu)對(duì)提高其透光率是很有幫助的.與單層20 nm的Ag膜相比，TiO2/Ag/TiO2可見(jiàn)光透光率從不到50%提高到90%.從圖4（a）和（b）發(fā)現(xiàn)隨著金屬膜層厚度增加，其在紅外的反射率相應(yīng)增強(qiáng)，可見(jiàn)光透光率曲線相應(yīng)變窄.值得注意的是，TiO2/Ag/TiO2最大可見(jiàn)光透光率都近90%，并沒(méi)有隨著Ag膜厚增加而相應(yīng)降低.當(dāng)Ag膜厚從10nm增加到15 nm時(shí)，紅外反射率增強(qiáng)的強(qiáng)度明顯優(yōu)于其可見(jiàn)光透光降低強(qiáng)度.為此，為了同時(shí)獲得較高的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率，選取Ag膜厚為15 nm.

圖4 Ag厚度為10 nm～20 nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2膜在300 nm～2 000 nm的反射率（圖a）與透射率（圖b）

2.4 入射角度對(duì)TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜光譜特性的影響

當(dāng)每層TiO2膜厚為25nm，Ag膜厚為15nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可見(jiàn)光透光率和紅外反射性能.采用TFCalc分別對(duì)含25nmTiO2膜和15nm的Ag的復(fù)合薄膜的不同入射角度下的光譜特性進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)圖5（a）和（b）.從圖5中可以看出，一開(kāi)始隨著入射角度增加，可見(jiàn)光透光率降低不明顯.而當(dāng)入射角大于45°后，可見(jiàn)光透射率隨入射角度的增加而急劇降低.當(dāng)入射角度達(dá)到85°時(shí)可見(jiàn)光透射率最小值Tmin為10%.而紅外反射率隨入射角增加變化較小，只有在入射角為85°時(shí)，紅外反射性能有明顯的增強(qiáng).由此可見(jiàn)，在入射角45°范圍內(nèi)，TiO2/Ag/TiO2可表現(xiàn)良好的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率.

圖5 Ag厚度為15 nm，TiO2厚度為25 nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2膜在不同入射角度下的反射率（圖a）與透射率（圖b）

3 結(jié)論

本文采用TFCalc對(duì)Ag和TiO2/Ag/TiO2復(fù)合薄膜可見(jiàn)光和紅外光譜特性進(jìn)行研究.研究結(jié)果表明，Ag膜隨膜厚的增加，可見(jiàn)光透光率會(huì)相應(yīng)降低，紅外反射率相應(yīng)提高.當(dāng)Ag膜厚度為20nm時(shí)，可見(jiàn)光透光率不到50%.隨TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2透射率波峰紅移.當(dāng)TiO2膜厚大于30nm后，隨TiO2膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2紅外反射率相應(yīng)降低.當(dāng)TiO2膜厚為25nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2同時(shí)具備較高的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率.隨Ag膜厚的增加，TiO2/Ag/TiO2可見(jiàn)光透光率的峰值并沒(méi)有隨Ag膜厚的增加而相應(yīng)降低，但曲線寬度相應(yīng)降低，同時(shí)其紅外反射率相應(yīng)提高.研究結(jié)果表明，TiO2和Ag膜分別為25nm和15nm時(shí)，TiO2/Ag/TiO2具有良好的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率，其最大可見(jiàn)透光率可達(dá)90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層Ag膜的透光率.在入射角45°范圍內(nèi)， 該結(jié)構(gòu)的TiO2/Ag/TiO2兼具有良好的可見(jiàn)光透光率和紅外反射率.