PET基纳米ZnO溅射成膜及其紫外线通透性能.pdf

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1、第2 8 卷第2 期 2 0 0 7 年2 月 纺织学报 J o u m a lo f7 I e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 8N o 2 F e b 2 0 0 7 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 7 ) 0 2 0 0 4 8 一0 4 P E T 基纳米Z n o 溅射成膜及其紫外线通透性能 侯大寅1 ，李良飞1 ，魏取福2 ( 1 安徽工程科技学院纺织面料省高校重点实验室，安徽芜湖2 4 1 0 0 0 ； 2 江南大学生态纺织教育部重点实验室，江苏无锡2 1 4 1 2 2 ) 摘要在纺织材料表面附着z n o 能增加其

2、防紫外线透过功能，利用R F 磁控溅射法在P E T 非织造布表面沉积 z n O 薄膜，并利用原子力显微镜( A F M ) 和能量弥散x 射线法( E D x ) 对z n 0 薄膜的表面形貌和结构进行表征和分析。 结果表明：利用R F 磁控溅射沉积的纳米z n 0 薄膜其成膜方式是一种多层生长模式，薄膜颗粒中只含有z n 、02 种 元素；沉积的z n 0 颗粒具备纳米级尺度，且颗粒分布均匀、膜层致密。利用紫外一可见分光光度计测试表明，形成的 z n 0 薄膜对紫外线具有很好的吸收能力，对可见光的透过基本没有影响。 关键词纳米z n 0 ；溅射沉积；紫外线；P E T 中图分类号：T N

3、 l 6文献标识码：A S p u t t e rc o a t e d 豫n o - Z n o6 l mo nP E Ts u b s t r a t ea n di t s u l t r a 订o l e tr a d i a t i o nt r a n l s m i t t a n c e H O UD a y i n l ，u “a n g f e i l ，W E IQ u f u 2 ( 1 A n 矗越P r o 口i 耽施Z 研儿6 0 m o 可D ，z 缸t 池几6 庇，A 砒“i 跏i M 3 妙o ，死如加z o g y 口，l d 据n c e ，阢l 地，A

4、 砒撕 2 4 1 0 0 0 ，劬i m ； 2 嘶如6 0 m t o ，yQ 厂如n c e & M 肠g y o z 如如， 矗n 厶啊o ，E d 口幻n ， s o 眦k m 沌，讲眈瑙妙，i ，胁，狰“2 1 4 1 2 2 ，吼i 眦) A b s t r a c tT h et e x t i l em a t e r i a lw i t ht h es u d a c ed e p o s i t e d 埘t hz i n co x i d ecani n c r e a s ei t sa n t i u l t r a V i o l e t p r o p e I

5、 t y I n t h i sp a p e r ，Z n Of i l mw a sd e p o s i t e do nP E Tn o n w o V e n ss u b s t m t e sb yR Fm a g n e t m ns p u t t e r i n g T h em o 印h o l o g ya n dt h es t m c t u r eo ft h es p u t t e r - d e p o s i t e df i l mw e r ec h a m c t e r i z e db ya t o mf o r c eI I l i c m s

6、 c o p y ( A F M )a n dt h ee n e r g y d i s p e r s i v ex r a y( E D x ) T h er e s u l t ss h o w e dt h a ti tf o m e dam u l t i 一1 a y e r f i l m c o n t a i n i n go n l yt w oe l e m e n t s Z na n dO T h en a n o s c a l eZ n 0i nt h e6 l md i s t r i b u t e de V e n l ya n dc o m p a c

7、t l y T h eu l t m v i o l e t v i s i b l ep h o t o m e t e rt e s t ss h o w e dt h eZ n 0f i l mh a dg o o du l t m v i 0 1 e ts c r e e n i n ga b i l i t yw i t hl i t t l e i n n u e n c et ot h et m n s “t t a n c eo fV i s i b l es i g h t K e yw o r d sn a n o Z n O ；m a g n e t m ns p u t

8、 t e r i n g ；u l t m v i o l e t 瑚叮；P E T z n 0 属六角纤锌矿结构，是一种直接带隙宽禁 带( E 。= 3 0v ) n 型半导体材料。z n 0 廉价、无毒， 屏蔽紫外线波长范围宽，折光率小，对光线的漫射率 低，透明度高。z n 0 还具有抗菌、防臭功能，是比较 理想的功能性纺织材料整理剂旧o 。纳米z n O 由于比 表面积急剧增加，因而具备了块状z n O 所不具备的 表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，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。3 一。 溅射成膜的表面形貌与成膜机制的研究

9、较为广 泛，普遍认可的成膜方式有3 种：岛生长型( v o l m e r w e b e r 型) ；层生长型( F r a n k V a n d e rM e r w e 型) 和岛层 生长型( s a t r a n s k i - K m r t a n o v 型) H 。传统成膜机制是 基于金属和无机材料的研究提出来的，在纺织高分 子材料上溅射成膜的研究尚不多见。本文主要利用 R F 磁控溅射法在P E T 非织造布表面沉积纳米z n O 收稿日期：2 0 0 6 一0 5 一1 5修回日期：2 0 0 6 1 0 1 3 基金项目：教育部科学技术研究重点项目( N 0 1 0

10、6 0 8 9 ) 作者简介：侯大寅( 1 9 6 2 一) ，男，副教授。主要从事功能性纺织品的研究。E m a i l ：h o u d a y i n 0 1 4 1 s i n a c o m 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期侯大寅等：P E T 基纳米z n O 溅射成膜及其紫外线通透性能 4 9 薄膜并对其紫外线通透性能进行研究。利用原子力 显微镜( A F M ) 和能量弥散x 射线法( E D x ) 对z n O 薄

11、膜的表面形貌进行表征和分析，使实验数据和结果 更为直观。 1实验部分 1 1 材料 实验基材选用江西国桥纺织有限公司生产的 P E T 纺粘法非织造布，面密度为6 0g c m 2 ；溅射靶材 选用纯度为9 9 9 9 的z n O 陶瓷压片，直径为 5 0m m ，厚度为4m m 。 1 2 仪器 沈阳聚智科技有限公司生产的J z c K 4 2 0 B 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C S P M 加0 0 原子力显微 镜( A F M ) ；英国0 】【f o 耐公司生产的“n kI s I s 一3 0 0x 射 线能谱仪；美国铂金埃尔

12、默公司生产的L A M B D A9 0 0 型紫外一可见分光光度计，波长精度0 8n m ，波长分辨 率1n m 。 1 3 溅射成膜过程 P E T 非织造布先经过丙酮溶液浸泡，用K Q 5 0 B 型超声波清洗器，并用蒸馏水反复清洗以除去P E T 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6 0 左右，烘燥 5 1 0 “n 后放入干燥皿中待用。 采用R F 磁控溅射，用A r 气为保护气体，其气体 流量为2 0m L l l l i n 。先开机械泵和分子泵抽真空室本 底压强至5 0 1 0 “P a ，靶材与基材的距离为 6 0m m 。实验前利用A

13、 r 离子对靶材进行5r I l i n 预溅， 以清洗靶材表面的杂质。 2P E T 基纳米Z n o 溅射沉积膜分析 在溅射功率为1 8 0w ，气体压力为2 0P a ，溅射 时间分别为1 5 、4 5 、6 0I I l i n 的条件下制得z n O 薄膜， 利用原子力显微镜对z n 0 薄膜表面形貌进行表征。 图1 为溅射1 5m i n 时制备的z n O 薄膜A F M 图像，扫 描范围均为30 0 0n m 30 0 0n m 。从图l ( a ) 二维图像 可以看到在基底上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，大约为3 0n m ，表面粗 糙度为3 0

14、4n m ，从图1 ( b ) 也能看出试样表面比较平 滑，没有明显的凸起颗粒，基本上是单层生长的薄 膜，而且薄膜是由纳米颗粒组成。 ( a ) 二维图像( b ) 三维图像 图1 溅射时间为1 5m i n 制备的z n 0 薄膜A F M 图像 F i g 1 A F Mi m a g e so fz n 0t h i n6 l mu n d e rs p u t t e r i n gt i m e1 5m i n ( a ) T w od i m e n s i o ni m a g e ；( b ) r h r e ed i m e n s i o ni m a g e 当溅射时问为

15、4 5m i n 时，z n O 薄膜的A F M 图像 见图2 。可以看出，P E T 纤维表面已被纳米z n O 完 全覆盖，颗粒细致，分布均匀，颗粒粒径为2 6n m ，薄 膜表面的粗糙度是1 8 5n m 。这说明随着溅射时间的 延长，从z n 0 靶材中溅射出的原子数目增多，加快 了原子的生长速度，沉积到纤维表面的离子和原子 密度随之增加，颗粒粒径变的更加细小，得到的纳米 z n 0 更加均匀。颗粒形状类似六角状，颗粒之间有 明显的层次感，说明此时薄膜的生长已经不是单层 生长。从对应的图2 ( b ) 三维图可以看到，样品表面 已经长出多层尖耸的小塔，塔底与塔顶由无数的细 小颗粒组成

16、，直观地说明此时z n O 生长模式是多层 生长。 当溅射时间延长至6 0I I l i n 时，z n 0 薄膜的A F M 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 0 纺织学报第2 8 卷 f a ) 二维图像 ( b ) 三维图像 图2 溅射时间为4 5m i n 制备的z n O 薄膜A F M 图像 F i g 2 A F Mi m a g e so fz n 0t h i n f i l mu n d e rs p u t t e r i

17、n gt i m e4 5m i n ( a ) 7 r w od i m e n s i o ni m a g e ；( b ) 7 1 1 l r e ed i m e n s i o ni m a g e ( a ) 二维图像( b ) 三维图像 图3 溅射时问为6 0m i n 制备的z n 0 薄膜A F M 图像 F i g 3A F Mi m a g e so fz n 0t h i nf i l mu n d e rs p u t t e d n gt i m e6 0m i n ( a ) 7 I w od i m e n s i o ni m a g e ；( b ) T

18、h r e ed i m e n s i o ni m a g e 图像如图3 所示。从图3 ( a ) 可以清楚的看出基底覆 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，大颗粒是 由很多小颗粒组合而成，类似多个小粒子的团聚。 从图3 ( b ) 中看到，整个薄膜形状类似丘陵，丘陵与 丘陵之间的峡谷也是由密集的大小不等的颗粒组 成，丘陵之间相连构成了蜿蜒曲折的“山脉”。 以上分析说明溅射刚开始薄膜的生长是以岛状 生长方式为主，随着溅射时间的延长，z n 0 靶材中溅 射出的原子数目增多，沉积到纤维表面的离子和原 子密度随之增加，薄膜的生长方式转变为一种多

19、层 结构生长模式。 利用x 射线能谱仪( E D x ) 对P E T 非织造布表面 纳米z n O 薄膜表面成分进行分析。图4 为z n O 薄 膜表面元素的E D x 分析图，可以看到，在制备的 Z n O 薄膜表面只含有z n 、O 这2 种元素，没有检测到 其它元素的存在。 对z n O 薄膜表面元素质量分数进行分析，得到O 图4Z n 0 薄膜表面兀素的E D X 分析 F i g 4 E D X a n a l y s i s o nt h ee l e m e n to fZ n Ot h i nf i l m ss u T f a c e 原子的质量分数为2 4 0 6 ，z

20、n 原子的质量分数为 7 5 9 4 。0 、z n 原子个数比约为1 ：1 ，这大体上符合 相应的分子式中的计量比，即为z n O 。说明利用R F 磁控溅射制备的纳米氧化锌薄膜的纯度非常高。 3 纳米Z n o 薄膜的紫外线通透性能 图5 为利用L A M B D A9 0 0 型紫外一可见分光光 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第2 期侯大寅等：P E T 基纳米z n 0 溅射成膜及其紫外线通透性能 5J 度计测试的P E T 非织造布表面

21、镀膜前后的透光率。 试样大小为5 8c n ，2 8c m ，溅射工艺参数为溅射 功率1 8 0w ，气体压力2 0P a ，测射时问4 5m i n ，薄膜 厚度2 0n m 。分析比较后发现：在波长2 0 0 3 0 0n m 紫 外区域，镀层后的P E T 非织造布的紫外光透过率比 未处理的P E T 非织造布有较为明显的减小；在 3 0 0 4 0 0n m 紫外区域，经z n 0 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。 摹 l L 枭 魁 图5P E T 非织造布表面镀膜前后透光率 F i g 5 T m n s m i l t a n c eb e f o

22、r ea n da f t e rc o a t i n go f t h eP E Tn o n w o v e nf h b r i cs u r f a c e 纳米z n 0 对紫外光的吸收主要源于2 个原因： 首先利用纳米z n o 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 其对紫外光吸收显著增强、5 。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，z n 0 禁带宽度为3 0e V ，根据E = 矗”( E 为 光量子能量，矗为普朗克常数，”为光量子频率) ，计 算其所需要的激发光最大波长为4 l o 3n m ；因

23、此，波 长小于4 1 0 3n n 的光都可以被纳米z n 0 吸收，其透 光率小于1 0 ，从而在紫外区形成宽的吸光带。在 4 0 0 6 0 0n m 可见光区域处理前后P E T 非织造布的 透过率都在6 0 左右，说明z n 0 薄膜具备良好的可 见光透过性。这是因为z n 0 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。 4结论 1 ) 利用R F 磁控溅射在P E T 非织造布表面沉积 z n 0 薄膜，溅射刚开始薄膜的生长是以岛状生长方 式为主，随着溅射时问的延长，z n 0 靶材中溅射出的 原子数目增多，沉积到纤维表面的离子和原子

24、密度 随之增加，薄膜的生长方式转变为一种多层结构生 长模式，而且z n 0 薄膜颗粒中仅仅含有z n 、02 种 元素。 2 ) 经z n 0 溅射镀层处理的P E T 非织造布对紫 外光区域有很强的吸收能力，在可见光区域表现为 较高的透过率，说明纳米z n 0 薄膜具有很好的防紫 外线能力和透光性。溯 参考文献 w a n gz h o n gL i n N a n o m a t e r i a l si n t o d 8 y J JP h y s ： C o n d e n sM a t t e r 2 0 0 4 1 6 ：8 2 9 8 5 8 马正先，韩跃新，郑龙熙，等纳米氧化锌

25、的应用研 究 J 化工进展，2 0 0 2 ，2 l ( 1 ) ：6 0 6 3 x uJQ ，P a nQY ，s h u nYA ，e ta 1 G r a i ns i z ec o n t r o la n d g a ss e n s i n gp m p e r 七i e so fz n 0g a s s e n s o rlJj S e n s o r sa n d A c t u a t o r sB ：C h e m i s t r v ，2 0 0 0 ，6 6 ( 1 ) ：2 7 7 2 7 9 薛增泉，吴全德，李洁薄膜物理 M 北京：电子T 业 出版社，1 9 9 1 ：2 l 一2 2 李昕纺织品的防紫外线辐射整理 J 天津纺织科 技，4 2 ( 3 ) ：1 4 2 0 1 2 3 4 5 Llll 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark