溅射沉积纳米ZnO膜的表征及其性能

溅射沉积纳米ZnO膜的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征及其性能 溅射沉积纳米ZnO膜的表征及其性能 第33卷第1期东华大学l自然科学版)Vo1.33,No.1 2007年2月JOURNALOFDONGHUAUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Feb_2007 文章编号:1671—0444(2007)01—0120—05 溅射沉积纳米ZnO膜的表征及其性能 李良飞,侯大寅 (安徽工程科技学院省纺织面料重点实验室,安徽芜湖241000) 摘要:利用砌磁控溅射法在PEr非织造布表面沉积氧化锌(ZnO)薄膜,并利用原子力显微镜(AFM)和能量弥散 X一射线法(EDX)对ZnO薄膜的表面形貌和结构进行表征和分析.结果表明,沉积的ZnO颗粒具备蚋米级尺度,且颗 粒分布均匀,膜层致密,薄膜颗粒中只含有Zn和0两种元素;随着沉积时闻的延长,ZnO呈多层生长模式.曩4试表明, 经ZnO镀层处理的PET非织适布具有较强的紫外线屏蔽效果和优良的抗静电效果. 关键词:蚋米ZnO;溅射;防紫外;抗静电;P盯;非织追布 中图分类号:TN16文献标志码:A CharacterizatiOnandCapabilityofNano-ZnO FiImSDepositedbySputtering LJLiang-fei.HOUDa-yin (Plv蠡IIdalKeyLaboratoryofTextileFabric,AnhuiUniversityofTechnology&Sdcnce,Wuh uAnhui241000,China) Abstract:ZnOthinfilmsaredepositedonPETnonwovensubstratesbyRFmagnetronsputteri ng.The morphologyandthestructureofthesputter— depositedfilmsareobservedbyAtomForceMicroscopy (AFM)andenergy-dispersiveX-ray(EDX).Theresultsshowthat,thedepositedZnOgrainsinnano- levels,thegrainsdistributeequalityandcompact;thefilmsonlycontainZnandOelements;withextend thetimeofdeposition.thegrowthmodeofZnOismultilayergrowth.ThetestsindicatethatthePET nonwovenwhichisdepositedbyZnOthinfilmshashighabilityofabsorbencyultravioletandhasantistatic excellently. Keywords:nano-ZnO;sputtering;ultravioletresistance;antistatic;PET;nonwoven 纳米氧化锌(ZnO)由于颗粒的细微化,比表面 积急剧增加,使得纳米ZnO具备块状ZnO所不具 备的表面效应,小尺寸效应和宏观量子隧道效应 等,在精细陶瓷,紫外线屏蔽,光电材料,高效催化 材料,纺织材料等方面具有广阔的应用开发 前景.[1】 近年来,通过等离子分子束外延法(P— MBE)],激光分子柬外延法(L—MBE)[3】等制得高 质量的ZnO薄膜,然而这些制备设备昂贵.磁控溅 射法利用磁场强大的能量轰击溅射靶材,在材料表 面沉积纳米薄膜,溅射法制备的纳米薄膜均匀,稳 定,不改变材料本身性能,是一种成膜速率较快,制 收稿日期:2006一O8—21 基盒项目:安徽省自然科学基金项目(070414192) 作者筒介:李良飞(1980一).男.安徽毫州人.硕士.研究方向为功能性纺织品的研 究.E-mail:liliangfei9859@yahoo.c帆吼侯大寅(联系 人).男,副教授,E-mail:houdayin0141@8i阻~om' 第1期李良飞,等:溅射沉积纳米ZnO膜的表征及其性能121 备工艺简单,成本低,能够大面积制备并且能够低 温结晶的方法.…目前磁控溅射方法多用于金属和 无机材料表面成膜研究,但是在纺织高分子材料上 溅射成膜的研究尚不多见. 原子力显微镜(AFM)是分析材料表面微观结 构重要手段之一,具有纳米级别的分辨能力,样品 表面不需要特殊处理等优点.[5纵向分辨率高达 0.01nm,横向分辨率为0.1nm.自从1968年 FITZGERAID等把X'一射线能谱法(EDX)引用 到点子光学仪器以来,在物质的检测方面得到广泛 的应用,不仅对物质元素的组成进行表征,还可以 做到定量的分析.. 1实验材料与仪器 1.1实验材料 本实验基材为江西国桥纺织有限公司生产的 60g/cmzPET纺粘法非织造布,靶材为99.99 znO陶瓷压片(50mmX4mm).. 1.2实验仪器 沈阳聚智科技有限公司生产的JZCK一420B 高真空多功能磁控溅射仪,配置直流和射频电 源;中科院本原纳米科技有限公司生产的 CSPM4000原子力显微镜(AFM),扫描模式为 接触模式;英国Oxford公司LinkISIS一300X射 线能谱仪;美国铂金埃尔默公司的LAMBDA900 型紫外一可见分光光度计,波长精度:ko.8nnl,波长 分辨率1nm;YG(B)342D型织物感应式静电测 定仪. 2纳米ZnO溅射成膜 溅射基材选用60g/cm2的PET纺粘法非织造 布(2.3cmX7.3cm).实验前PET非织造布先经 过丙酮浸泡,KQ一50B型超声波清洗,并用蒸馏水 反复清洗以除去PET非织造布表面灰尘和油渍 等各种污染物,然后放入烘箱进行烘燥,烘箱温度 控制在60?左右,烘燥5,10min后放入干燥皿 中待用. 实验采用RF磁控溅射,用Ar气为保护气体, 气体流量为20mL/min.先开机械泵和分子泵抽真 空室本底压强至5.0×10一Pa,靶材与基材的距离 为60mm.实验前利用Ar离子对靶材进行5min预 溅,以清洗靶材表面的杂质. 3纳米ZnO膜的表征与分析 3.1AFM表征分析 在相同的溅射压强和功率情况下(2.0Pa, 180W),对不同溅射时间(15,45,60min)下制得的 znO涂层PET无纺布薄膜进行AFM成像分析.图 1和2分别是不同溅射时间下制备的ZnO薄膜 AFM的二维,三维图像. 888耄8888888 6耋塞塞塞塞塞塞塞塞塞 一寸卜..0 (a)15rain l000.00 900.00 800.00 700.00 600.00 500.0O 400.OO 300.00 200.00 100.00 0.00 88888888888 .星量景莩景量量量晷晷 (c)60min一 图1不同溅射时间下制备的ZnO薄膜AFM二维图像 Fig.1'l'heAFMplanarpicturesofZnOtIIin filmstreatedunderdifferenttime ?帆帆帅岫帆哪?棚呲?帆怵?帆m??????????ml堇???????岫 —l???I?I盖蠡罐I???_I 咖咖咖咖o 54321 勰_--5li_D.?-一 122东华大学《自然科学版)第33卷 140 O 图2不同溅射时间下制备的ZnO薄膜 AFM三维图像 Fig.2TheAFMthree-dimensionalpictureofZnO thinfilmstreatedunderdifferenttime 图1(a)是znO的AFM二维图像;图2(a)是对 应的三维图像.从二维图像上我们看到在PET非 织造布表面分布着一些细密的颗粒,分布相对均 匀,而且颗粒粒径比较小,AFM图形处理软件上反 映此时颗粒平均粒径是30nm,表面粗糙度为 3O.4nlT1.但是纳米ZnO颗粒还未能完全覆盖在 PET纤维表面,这是因为在很短的时间内Ar十轰击 ZnO靶材的能量比较小,因此沉积到纤维表面的离 子和原子的密度比较小.从三维图像也能看出试样 表面比较平滑,没有明显的凸起颗粒,说明此时基 本上是单层生长的ZnO薄膜,而且薄膜是由纳米级 颗粒组成. 当溅射时间延长到45rain的时候,从图2(b) 可以清楚地看到PET纤维表面已经被纳米ZnO 完全覆盖,颗粒很细致,均匀,颗粒粒径为26nm, 薄膜表面的粗糙度是18.5nlT1.这说明随着溅射时 间的延长,从ZnO靶材中溅射出的原子数目增多, 原子的生长速度加快,沉积到纤维表面的离子和 原子密度随之增加颗粒粒径变得更加细小,得到 的纳米znO更加均匀,薄膜表面变得更加光滑.颗 粒形状类似六角状,颗粒之间明显有层次感,说明 此时薄膜的生长已经不是单层生长.从对应的三 维图像可以看到样品表面已经呈现出尖耸多层小 塔状,塔底与塔顶由无数的细小颗粒组成,更加直 观地说明此时ZnO生长模式是多层生长. 图1(c)为溅射时间60rain下制备的ZnO薄膜 AFM图像,图像基底覆盖良好,薄膜由大小不等的 颗粒组成,颗粒边缘圆滑,薄膜顶层的颗粒粒径大 于底层的颗粒,大颗粒由很多小颗粒组合而成,类 似多个小粒子的团聚.从图2(c)中看到,整个薄膜 形状类似丘陵状生长,丘陵与丘陵之间的峡谷也由 密集的大小不等的颗粒组成,丘陵之间相连而构成 蜿蜒曲折的"山脉",这种薄膜的生长方式与传统的 成膜方式不同.[7.8 3.2EDX表征分析 利用X一射线能谱仪(EDX)对制备前后的PET 非织造布表面元素成分进行分析.图3结果显示, 在PET非织造布表面只检测到C和O两种元素. 图4是经过镀层整理以后ZnO薄膜表面所含有元 素的EDX图像.结果显示,在制备的ZnO薄膜表面 只含有zn和O两种元素,没有检测到其他元素的 存在,而且zn和O两种元素的质量分数分别为 78.19和21.81,说明利用RF磁控溅射制备的 纳米ZnO薄膜的纯度非常高. lI 赫舅…''…………''…' l…Y2 FullScalel00ctsCursor:0.000keV 图3PET非织造布原样表面元素的EDX图像 n舀3EDXpictureofsurfaceelementofPETnonwoven 第1期李良飞,等:溅射沉积纳米ZnO膜的表征及其性能123 {嚼二! 1 ., 一..… l FullScalel75ctsCursor:0.00okeV 数;:光量子频率),计算它所需要的激发光最大的 波长为410.3nm,因此,波长小于410.3nm的光都可 以被纳米ZnO吸收,从而在紫外区形成宽的吸光 带.此外,ZnO的折光率非常小,仅为1.9,因此对光 线的漫散射率低,透明度高,具有良好的可见光透 过率.在400~600nm可见光区域两者的透过率都 在6O左右,说明ZnO薄膜具备良好的可见光透 过性. 图4zIl0薄膜表面元素的EDx图像5纳米ZnO薄膜的抗静电性能 Fig.4EDXpictureofsurfaceelementofZnOthinfilms 4纳米ZnO薄膜的性能分析 4.1纳米zllo膜的防紫外线性能分析 利用LAMBDA900型紫外一可见分光光度计 对PET非织造布表面镀膜前后紫外线通透性能进 行测试.测试样品大小为5.8cmX2.8cm.图5中 曲线1,2,3和4分别是未处理以及处理15,45和 60min的紫外线透过率曲线. 图5PET非织造布表面镀膜前后防紫外性能 Fig.5Thecapabilityofpreventultravioletradiation ofplatingfilmsofPETnonwoven 分析比较后发现,在波长300rim左右紫外区 域,镀层前后PET非织造布的紫外光透过率相差 不大,在300~400rim紫外区域,经ZnO镀层处理 的非织造布对紫外光吸收能力明显比未处理非织 造布增强.而且从图中可以看到,随着溅射时间的 延长,纳米ZnO膜屏蔽越好.纳米ZnO对紫外光的 吸收主要源于两个原因:首先利用纳米ZnO颗粒 的量子尺寸效应,使其对紫外光的吸收带产生"蓝 移现象"和"宽化现象"导致其对紫外光吸收显着增 强.[9其次由于它的半导体性质,即在紫外光照射下, 电子被激发由价带向导带跃迁,ZnO禁带宽度为 3.0eV,根据E=hX(E:光量子能量;h:普朗克常 抗静电性能测试照GtA/T12703—1991纺织品 静电测试方法A法(半衰期),采用YG(B)342D型 织物感应式静电仪测定. 测试前样品先在温度5O?下预先烘干 30rain,在试验用大气条件下调湿平衡5h.给样品 施2D3kV的高压,高压维持时间3O.00S.分别测 加压后布样的初始静电压以及经3O.00S衰减后 布样的静电压或半衰期(静电压减少一半所用时 间).依据FZ/T01042—1996 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 对znO镀层处 理后的PET纺粘非织造布进行抗静电性测试.测 试结果见表1. 表1ZnO镀层处理前后非织造布抗静电效果 Table1111eantistaticeffectofnonwoyen coatingtreatedwithZnO 注:环境条件为温度25?,相对湿度40. 由表1可知,与PET非织造布相比,经过ZnO 镀层处理后的PET非织造布的抗静电性能明显改 善.这是由纳米ZnO本身结构造成的.由于ZnO的 六角密堆纤锌矿极性结构,常温下本征缺陷的存 在,填隙Zn离子的电离,使它具有N型电子导电, 其晶粒电阻非常小,在室温下或更低的温度下就能 导电.当给样品施加高压的时候,ZnO不但能阻止 静电荷的产生,同时能对其进行快速溢散,达到非 常优异的抗静电效果.从表1中也可以看到,经 ZnO镀层处理短时间内半衰期就达到0.02S,而且 随着沉积时间的延长半衰期数值基本没有变化,可 见经过ZnO镀层处理之后短时间就具备了良好的 抗静电效果. 124东华大学(自然科学版)第33卷 6结论 (1)溅射法制备的ZnO颗粒分散均匀,薄膜的 致密性良好,纯度高.薄膜的生长方式与传统成膜 方式不同,转变为一种多层结构生长模式 (2)经ZnO溅射镀层处理的PET非织造布对 紫外光区域有很强的吸收能力,随着沉积时间延 长,薄膜的紫外线屏蔽效果越好.可见光区域表现 为较高的透过率,说明纳米ZnO薄膜具有很好的透 光性. (3)经ZnO镀层处理可以赋予PET非织造布 优异的抗静电效果.沉积时间的长短对静电屏蔽效 果几乎没有影响. 参考文献 [1]XUJQ,PANQY,SHUNYA,eta1.GrainSizeControl andGasSensingPropertiesofZnOGasSensor[J].Sensors andActuatorsB:Chemistry,2000,66(1—3):277—279. [2]CHENYF,BAGNAIIDM,ZHUZQ,eta1.ZnO QuantumDotsaNovelMateralfortheFabricationof?,? SemiconductorLasers[J].ApplePhys1998,84:3912. [3]KIMH,PIQUEA,HORWlTZJS,eta1.Effectof AluminumDopingonZinc0xideThinFilmsGrownby PulsedLaserDepositionforOrnanicIinht-emittingDevices [J].ThinSolidFilms,2000:377—378. [4]KIMKJ,KIMJH,KANGJH.StructuralandOptical CharacterizationofCu3NFilmsPreparedbyReactiveRF MagnetronSputtering[J].JCrystGrowth,2001, 222:767. [5]BINNING,QUATECF,GERBERCh.AtomicForce Microscope[J].PhvsRev.1986,56(9):930—933. [6]FITZGERAID,RAY,KEII,eta1.Solid-stateEnergy- DispersionSpectrometerforElectron-microprobeX-ray Analysis[J].Science,1968,159:528—530. [7]薛增泉,吴全德,李洁.薄膜物理[M].北京:电子工业出版 社,1991:21—22. [8]田民波,刘德令.薄膜科学与技术手册(上册)[M].北京:机 械工业出版社,1991:22. [9]李昕.纺织品的防紫外线辐射整理[J].天津纺织科技, 2004,42(3):14—20. (上接第119页) 当喷丝板H—的网格区间在光学镜头正下,由 于微孔的几何形状一部分在H—网格内,有光线直 射到光学镜头上,通过"在i网格内"讨论的纠偏原 理进行自动纠偏,此时需纠偏2次才能使微孔几何 形状成像在光学镜头正中间,第1次纠偏使微孔几 何形状完整地成像在光学镜头视场范围内,第2次 纠偏使微孔几何形状成像在光学镜头正中间. 3结论 这里提出一种基于机器视觉的局部搜索算 法,运用到图像采集卡,运动控制卡,步进电机及 驱动器,X,y,移动平台,滚珠丝杆,LED光源, CCD传感器,光学镜头,图像处理算法和计算机, 并在实验中取得成功,其纠偏性能高,实现自动纠 偏功能,解决了目前喷丝板自动检测仪不能检测 一 些喷丝板上存在位置偏差的微孔,提高了喷丝 板自动检测仪的自动化程度.不仅如此,该纠偏原 理的应用,对其他一些基于机器视觉的检测,实现 其自动纠偏功能,同样具有一定的启发性价值和 参考意义. 参考文献 [1]王越.喷丝板的发展现状[J].纺织机械,2001,(6): 45—46. [2]FT_/T92043—1995,中华人民共和国纺织行业标准[S]. [3]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2003:285—300.