ΑΣΚΗΣΗ 8 ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ (Τεχνολογίες επίστρωσης από διαλύματα και αιωρήματα για την εφαρμογή κεραμικών επιστρωμάτων)

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 8 ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΜΕΝΙΑ (Τεχνολογίες επίστρωσης από διαλύματα και αιωρήματα για την εφαρμογή κεραμικών επιστρωμάτων)

2 Στάδια της μεθόδου επικάλυψης dip-coating. Α εμβάπτιση στο διάλυμα. Β, σχηματισμός επίστρωσης gel με κατακόρυφη απομάκρυνση του υποστρώματος και εξάτμιση του διαλύτη Στάδιο Α Στάδιο Β

3 Διάγραμμα ροής της μεθόδου dip-coαting Μίγμα αλκοξειδίων Προσθήκη αλκοόλης νερού και οξέως Διάλυμα αλκοξειδίων sol Εμβάπτιση και απομάκρυνση υποστρώματος 500 ο C Επίστρωση υμενίου ως gel Υμένιο επιστρωμένο Κρυσταλλικό ή άμορφο Θέρμανση στους 500 ο C Σχηματισμός χημικών δεσμών μεταξύ υμενίου και υποστρώματος με την θέρμανση.

4 Στάδια της μεθόδου spin-coating dω/dt #0 εναπόθε ση spin-up ω ω spin-off ω εξάχνωση

5 Ανακλαστικά και αντιανακλαστικά λεπτά υμένια 4% 100% n 1 =1 4% 100% n 1 =1 1% n 2 = % 4% n 2 =1.50 n 3 = % 92% (a) Ανακλαστικότητα πλακιδίου απο γυαλί (n=1.50) και (b) μετά από επίστρωση με λεπτό υμένιο λ/4 απο MgF 2 (n=1.38)

6 Λεπτά υμένια και συμβολή Τα ανακλώμενα κύματα από τις επιφάνειες αέρα-στρώμα και στρώμα-γυαλί θα υποστούν και τα δύο αλλαγή φάσης 180 ο.τα κύματα αυτά μπορούν να συμβάλλουν καταστρεπτικά και να υπάρχει ένα ελάχιστο στην ανακλαστικότητα αν ο οπτικός δρόμος της ακτίνας εντός του στρώματος είναι τέτοιος ώστε να καθυστερήσει κατά μισό μήκος κύματος (λ/2). Τα δύο κύματα θα συμβάλουν τότε με διαφορά φάσης 180 ο με συνέπεια μηδενική ανακλαστικότητα. Ισχύει τότε: 2n f d=λ/2,

7 Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία προσπέσει σε διαχωριστική επιφάνεια δύο μέσων με διαφορετικούς δείκτες διάθλασης, ένα μέρος της ακτινοβολίας ανακλάται. Η ανακλαστικότητα (reflectance) R εξαρτάται απο τον λόγο μ των δεικτών των δύο μέσων. Για κανονική πρόσπτωση ισχύει: R=(μ-1/μ+1) 2 Επιπρόσθετα η ανακλώμενη ακτινοβολία αλλάζει φάση κατά 180 ο όταν το φώς μεταβαίνει από μέσο με χαμηλό δείκτη διάθλασης (low refractive index) σε μέσο με υψηλό δείκτη διάθλασης (high refractive index). Τα ανακλώμενα κύματα από τις επιφάνειες αέρα-στρώμα και στρώμα-γυαλί θα υποστούν και τα δύο αλλαγή φάσης 180 ο.τα κύματα αυτά μπορούν να συμβάλλουν καταστρεπτικά και να υπάρχει ένα ελάχιστο στην ανακλαστικότητα αν ο οπτικός δρόμος της ακτίνας εντός του στρώματος είναι τέτοιος ώστε να καθυστερήσει κατά μισό μήκος κύματος (λ/2). Τα δύο κύματα θα συμβάλουν τότε με διαφορά φάσης 180 ο με συνέπεια μηδενική ανακλαστικότητα. Ισχύει τότε: 2n f d=λ/2,

8 Πάντως τα κύματα θα ακυρωθούν ολοκληρωτικά μόνο όταν οι ανακλάσεις από τις δύο διαχωριστικές επιφάνειες είναι ίσες. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν ο δδ. του υμενίου n f επιλεγεί ώστε οι τιμές του μ στις δύο διαχωριστικές επιφάνειες να είναι ίσες. Δηλ. Το υμένιο να έχει δ.δ. : n f =n g 1/2 (3.3) καθώς το μ στην πρώτη διαχωριστική επιφάνεια θα είναι μ(1)=n film /n air ενώ στη δεύτερη θα είναι μ(2)= n glass /n film και πρέπει να ισχύει μ(1)=μ(2). Η σχέση (3.3) για δ.δ του γυαλιού n=1.5 δίνει n f = Στην πράξη το υλικό που χρησιμοποιείται συχνότερα για την παρασκευή του υμενίου είναι το MgF 2 που έχει δ.δ. περίπου Καθώς ο δ.δ. των περισσοτέρων οπτικών γυαλιών είναι 1.5 η σχέση (3.3) προσεγγίζεται αριθμητικά χωρίς να γίνεται πλήρης ταύτιση, αλλά η R μειώνεται περίπου στο 1%. χρήση μιας σειράς υμενίων με εναλλασσόμενο υψηλό και χαμηλό δ.δ

9 Πάντως τα κύματα θα ακυρωθούν ολοκληρωτικά μόνο όταν οι ανακλάσεις από τις δύο διαχωριστικές επιφάνειες είναι ίσες. Αυτό μπορεί να συμβεί όταν ο δδ. του υμενίου n f επιλεγεί ώστε το υμένιο να έχει δ.δ. : n f =n g 1/2 Ανακλαστικότητα R=r 2 = [(n 0 -n 1 )/ (n 0 +n 1 )] 2 πλακιδίου με 1 υμένιο Με πολλαπλά υμένια

10 Ανακλαστικότητα πλακιδίου απο γυαλί (n=1.50) και (b) μετά από επίστρωση με λεπτό υμένιο λ/4 απο MgF 2 (n=1.38) 4% 100% n 1 =1 4% 100% n 1 =1 1% n 2 = % 4% n 2 =1.50 n 3 = % 92% (a) (b)

11 Ανακλαστικότητα στο ορατό φάσμα υποστρώματος από γυαλί και υμενίων λ/4 απο TiO 2 και SiO 2 εναποτιθεμένων εναλλάξ. (a) υπόστρωμα (b) 2 υμένια (c)τέσσερα (d)οκτώ υμένια.

12 Φυσική των υμενίων χαμηλής εκπομπής (low-e) 1.Ενεργειακό κέρδος τον χειμώνα 0 o C 19 o C ορατό 0 o C 19 o C NIR IR IR(περιβάλλοντος) IR(περιβάλλοντος)

13 2.Ενεργειακό κέρδος το καλοκαίρι (λειτουργία κλιματιστικών μονάδων) 32 o C 18 o C Ενεργειακό κέρδος σε θερμό κλίμα 27%-38% IR(περιβάλλοντος)

14 ΣΚΟΠΟΣ ΑΣΚΗΣΗΣ Σκοπός της άσκησης είναι η κατανόηση των μεθόδων εναπόθεσης από διαλύματα sol-gel για την παρασκευή αντανακλαστικών καθρεπτών. Επιλέγεται η παρασκευή απλών και πολυστρωματικών υμενίων από sols SiO 2 και TiO 2 Στόχος επίσης της άσκησης είναι και η κατανόηση των οπτικών ιδιοτήτων των διηλεκτρικών κατόπτρων που θα παρασκευαστούν.