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采用薄膜幹涉策略構建氮化鋁彩色功能薄膜(下)
來源: | 發布日期:2023-10-06


        現在要和大家分享的是在矽片表麵沉積彩色功能薄膜 。由薄膜幹涉原理可知,薄膜顏色的變化是由於不同波長(即不同顏色)的光發生幹涉,導致不同顏色的光被增強或減弱。根據薄膜的厚度、折射率以及入射光的波長,可以計算幹涉條紋的位置和顏色變化。由公式(2)可知,當薄膜的折射率保持不變,薄膜的顏色(即發生相長幹涉的光波)與薄膜厚度直接相關,即:d= (2k -1)A/(4ncosθ)


(4)如圖3所示,根據薄膜幹涉原理,采用反應磁控濺射法可在矽片表麵沉積顏色可調的AlN薄膜[4]。當膜厚從57nm增加到68、82、106、123、150和 165nm,薄膜依次呈現紫、青、藍、綠、黃、橙和紅色(圖3(a))。這與以400、440、475、520、600、640和730nm為中心的相應反射光譜一致(圖3(b))。L*、a*和b*色度值與薄膜厚度的函數關係如圖3(c)所示。L*表示亮度,範圍從0到100。其中0表示黑色,100表示白色。L*越高,亮度越亮。a*介於綠色(-a)和紅色(+a)之間。b*介於藍色(-b)和黃色(+b)之間。當膜厚從57nm增加到106nm,L*從18.3增加到75.5;而a*則從39.6逐漸變化到-10.4。但b*從-30.9下降到-61.0,然後又上升到-0.8,表明薄膜的高亮度和對比度。然而,當厚度變為165 nm時,L*降至46.1,這意味著亮度下降。有趣的是,當薄膜厚度增加到173、186、200、222、255、265和281nm時,又出現了紫色、青色、藍色、綠色、黃色、橙色和紅色[4],這表明隨著膜厚的增加,薄膜顏色具有重複性。

圖片3

圖3. AlN薄膜的光學性能與膜厚的關係。(a)光學圖像;(b) 反射率和 (c) 色度值。

由公式(4),可以推導出光程差∆=1λ、2λ、3λ、4λ和5λ時AlN彩色薄膜的理論厚度(表1)。但是,在∆ =1λ時,理論厚度與實際結果不一致,意味著此時的顏色並不完全符合相長幹涉效應(公式(2))。這是因為在AlN薄膜沉積初期,薄膜的生長主要受到基底的影響,薄膜生長不穩定,結晶度不高,導致入射光在薄膜中發生了部分散射,無法完全形成相長幹涉。此時,AlN薄膜的顏色既有幹涉效應,也有散射作用。

如表1所示,當 ∆=2λ 時,黃、橙和紅色的理論薄膜厚度分別為223.2~261.6、261.6~275.1和275.1~337.5 nm。然而,當∆=3λ時,紫色的理論薄膜厚度為253.5~329.5 nm。因此,黃、橙、紅和紫色的薄膜厚度存在重疊,導致薄膜中存在多個光波的競爭。表中數據還表明,在AlN薄膜的反射光譜中,同時產生三個反射峰的最小理論膜厚約為467nm。隻要超過這個值,薄膜的顏色就可能涉及至少三種不同光波的組合。

表格

1. 在鎂合金表麵沉積彩色薄膜

通過大量實驗表明,矽片表麵的AlN彩色薄膜可以移植到鎂合金表麵[5]。如圖4(a)-(f)所示,在沉積AlN/Al雙層薄膜後,AlN/Al-AZ31B未顯示結構色,仍為鎂合金銀色。通過分析在矽片上沉積AlN彩色薄膜的經驗,如圖4(g)-(l)所示,在AlN表層與Al粘合層之間插入Si中間層,形成AlN/Si/Al結構,得到了黃色薄膜。如圖4(m)所示,通過調整AlN表層厚度,得到了紅、橙、黃、綠、青、藍、紫色的AlN薄膜。在AlN/Si/Al薄膜中,AlN表層是折射層,而Si中間層是反射層,它們共同作用,使可見光發生幹涉並合成了結構色。

圖片4

圖4. (a)-(f) AlN/Al薄膜樣品實物圖像、橫截麵及元素成分。(g)-(l) AlN/Si/Al薄膜樣品實物圖像、橫截麵及元素成分。(m) AlN/Si/Al -AZ31B彩色樣品實物圖像。

如圖5(a)-(c)所示,盡管AlN/Al-AZ31B不顯示彩色,但是它使鎂合金表麵硬度從1.3 GPa增加到4.3 GPa,腐蝕電流密度從1.6×10-4 A/cm2下降到1.5×10-5 A/cm2。因此,AlN/Al 塗層雖然不能產生結構顏色,但是能提高鎂合金表麵硬度和耐腐蝕性。由於Si中間層的高硬度和AlN層的晶粒細化效應,AlN/Si/Al-AZ31B的表麵硬度增加到9.2GPa,是AlN/Al-AZ31B的2倍多,是AZ31B的7倍多。

同時,Si中間夾層的引入,產生了更平滑的AlN表麵形態,從而獲得更好的耐腐蝕性。研究表明,AlN/Si/Al-AZ31B的腐蝕電流密度比AlN/Al-AZ31B降低了約兩個數量級,為2.4×10-6 A/cm2。如圖5(d)-(f)所示,在腐蝕實驗之後,未91好色先生TV污的鎂合金表麵幾乎被全部腐蝕成粉末狀物質。AlN/Al-AZ31B表麵也出現了大量直徑約500μm的腐蝕坑。然而,AlN/Si/Al-AZ31B表麵仍呈現出相對完整的結構,但仍有較明顯的小腐蝕坑。以上結果表明,矽中間層的引入既可以使AlN/Si/Al薄膜獲得結構顏色,同時可以提高其硬度和耐腐蝕性。

圖片5

圖5. AZ31B,AlN/Al-AZ31B和黃色AlN/Si/Al-AZ31B薄膜樣品的力學及腐蝕性能。(a)載荷-位移曲線。(b)硬度-位移曲線。(c)在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。(d)-(f)腐蝕表麵形貌。

AlN/Si/Al-AZ31B利用薄膜幹涉效應實現了可控的顏色,使其硬度達到9.2GPa,腐蝕電流密度降低到2.4×10-6 A/cm2;然而,Si中間層(硬度:23.2 GPa)與Al粘結層(硬度:1.2 GPa)之間存在巨大的硬度差異,可能導致薄膜在工作時容易發生斷裂破壞。另一方麵,AlN表層屬於多晶態結構,內部存在大量的晶界和針孔缺陷,可能為腐蝕介質滲入AlN/Si/Al薄膜提供途徑。因此,AlN/Si/Al薄膜的力學性能及防腐蝕能力仍相對較弱,有必要進一步提高其硬度和耐腐蝕性。下一步將考慮在AlN/Si/Al薄膜的Si中間層和Al粘結層之間引入SiN/AlSiN/AlN梯度夾層,在保持薄膜的結構色外觀的前提下,進一步提高其硬度和防腐蝕性能。一方麵,梯度夾層可以緩解硬質薄膜與軟質金屬基材之間的硬度差異,提高基材的承載能力。另一方麵,梯度夾層的模糊截麵可以使薄膜內部結構致密,抑製缺陷的生長,減少腐蝕性離子在薄膜的吸附和滲透,提高薄膜的防腐蝕性。

        以上就是采用薄膜幹涉策略構建氮化鋁彩色功能薄膜 的所有內容了,感謝李鳳吉教授的分享。

1. 參考文獻

[1] 宋心遠, 結構生色和染整好色先生APP软件(一), 印染  (2005) 46-48.

[2] 宋心遠, 結構生色和染整好色先生APP软件(二), 印染  (2005) 44-47.

[3] X. Zhang, S. Jiang, M. Cai, H. Zhao, F. Pan, D. Miao, X. Ning, Magnetron sputtering deposition of Ag/Ag2O bilayer films for highly efficient color generation on fabrics, Ceramics International 46 (2020) 13342-13349.

[4] X. Shi, X. Yu, C. Nie, F. Li, S. Zhang, Controlled growth of nanocrystalline aluminum nitride films for full color range, Ceramics International 47 (2021) 21546-21553.

[5] X. Shi, S. Zhang, Y. You, D. Sun, X. Yu, J. Wang, H. Du, F. Li, Enhancing color tunability, corrosion resistance, and hardness of AlN/Al coatings on magnesium alloys via sputtering a Si interlayer, Vacuum 209(2023)111772.

【本文標簽】 彩色功能薄

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