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

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

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

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.

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

Ανακλαστικά και αντιανακλαστικά λεπτά υμένια 4% 100% n 1 =1 4% 100% n 1 =1 1% n 2 =1.38 96% 4% n 2 =1.50 n 3 =1.50 100% 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)

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,

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,

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 =1.225. Στην πράξη το υλικό που χρησιμοποιείται συχνότερα για την παρασκευή του υμενίου είναι το MgF 2 που έχει δ.δ. περίπου 1.38. 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

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

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 =1.38 96% 4% n 2 =1.50 n 3 =1.50 100% 92% (a) (b)

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.

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)

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

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.