Например, Бобцов

Влияние времени созревания спиртовых растворов тетраэтоксититана, применяемых для нанесения тонкопленочных покрытий, на спектральные характеристики последних

УДК 535.345.67(088.8) + 546.824
ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ СОЗРЕВАНИЯ СПИРТОВЫХ РАСТВОРОВ ТЕТРАЭТОКСИТИТАНА, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ, НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСЛЕДНИХ
© 2012 г. А. А. Гуров, канд. хим. наук; П. В. Слитиков, канд. хим. наук
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва Е-mail: pavlasiy@mail.ru
Установлено, что максимальные значения коэффициента отражения однослойных интерференционных светоделительных покрытий достигаются в случае использования для их нанесения свежеприготовленных спиртовых растворов тетраэтоксититана с продолжительностью созревания (выдержки) около 3 часов. Применение последних для изготовления многослойных покрытий позволяет достичь больших значений коэффициента отражения нанесением меньшего количества слоев. На основании обнаруженного факта был разработан способ изготовления интерференционных покрытий.
Ключевые слова: тетраэтоксититан, интерференционные светоделительные покрытия, коэффициент отражения, время созревания (выдержки).
Коды OCIS: 120.0120, 120.2440, 120.5700, 160.4890
Поступила в редакцию 07.07.2011

По сравнению с физическим (вакуумным) нанесением многослойных покрытий химический метод обладает целым рядом преимуществ, как, например, простотой и дешевизной ввиду отсутствия сложного дорогостоящего оборудования, высокой механической прочностью и термостабильностью этих покрытий, их устойчивостью к химическим и атмосферным воздействиям, возможностью получения из большого ряда соединений (неорганические соли, хлорсиланы, алкоксисоединения, кремнийи фторорганические полимеры и др.). Наибольшее применение в качестве пленкообразующих веществ в этом методе получили алкоксисоединения элементов III–V групп периодической системы [1–5]. Особая роль среди них принадлежит тетраэтоксититану Ti(OEt)4 (ТЭТ). Свойства последнего достаточно хорошо изучены, однако целый ряд вопросов, связанный с поведением его спиртовых, а точнее водосодержащих спиртовых растворов, остается открытым. Последние представляют собой многокомпонентные системы, на свойства которых влияют такие факторы, как температура, влажность, длительность выдержки (созревания) – время, прошедшее с момента приготовления раствора до момента нанесения пленки. В данной работе исследовано влияние последнего фактора на оптические свойства

тонких прозрачных покрытий, получаемых из этих растворов.
Методика эксперимента
Для изготовления многослойных интерференционных светоделительных покрытий использовали такие алкоксисоединения, как тетраэтоксититан и тетраэтоксисилан (ТЭС), причем первый для нанесения слоев нечетного ряда (1, 3, 5 и т. д.), второй – четного (2, 4, 6 и т. д.). Для приготовления водноспиртового раствора использовался промышленно выпускаемый ТЭТ, предварительно очищенный. ТЭТ термостатировался при температуре +70 С в течение 30 мин, затем охлаждался до комнатной температуры и далее уже готовились его 6 мас% растворы в 99,5 мас% этиловом спирте. Для предотвращения выпадения геля титановой кислоты в приготовленные растворы вводили концентрированную соляную кислоту ( = 1,190 г/мл) в количестве 0,3 об%. После этого растворы ТЭТ выдерживались в комнатных условиях в течение от 1 ч до 2 сут. Для нанесения четных слоев (2, 4, 6 и т. д.) использовались 10 мас% растворы ТЭС в 95 мас% этаноле. Время их выдерживания в комнатных условиях составляло одну неделю. Концентрации и растворов ТЭТ, и рас-

“Оптический журнал”, 79, 1, 2012

65

творов ТЭС подбирались экспериментально, исходя из заданной спектральной области.
Слои наносились на станке СП-150У на плоскопараллельные пластины из стекла марки К8 размером 5050 мм в помещении с температурой воздуха 20±2 С и относительной его влажностью 55 ± 5%. Скорость вращения пластин, подобранная опытным путем, составляла 1000 об/мин. Количество нанесенных слоев варьировалось от 1 до 9. После нанесения каждого слоя пластины подвергались термической обработке в сушильном шкафу в течение 1 ч при температуре 300 С. Скорость их нагрева и охлаждения не превышала 3 град/мин. Из сушильного шкафа пластины извлекались при температуре не выше 50 С. Спектральные характеристики полученных таким образом покрытий регистрировались на спектрофотометре по стандартной методике.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 приведены зависимости коэффициента отражения R от длины волны  однослойных интерференционных покрытий, полученных из спиртовых растворов ТЭТ с различной длительностью их созревания (выдержки). Видно, что зависимости R = f() представляют собой кривые, проходящие че-

R, %
29
27
25

1
2 34
5 6

рез максимум. Положение последнего и значение в нем коэффициента отражения (максимального его значения) Rmax определяются продолжительностью созревания растворов ТЭТ. Анализ представленных на рис. 1 данных показывает, что спиртовые растворы ТЭТ достаточно быстро (спустя всего 1 ч после своего приготовления, кривая 4) становятся пригодными для нанесения светоделительных покрытий. При этом наибольшие значения коэффициента отражения наблюдаются лишь для растворов со временем созревания 3 ч. Положение максимума в этом случае отвечает длине волны 540 нм. Значение коэффициента отражения в нем составляет около 29%. Увеличение времени созревания растворов ТЭТ до > 3 ч приводит к смещению положения максимума зависимости R = f() в длинноволновую область спектра (рис. 1) и к снижению коэффициента отражения, в том числе и его максимального значения (рис. 2).
Первое явление обусловлено увеличением оптической толщины покрытия h, которая в общем случае зависит от скорости вращения и размера детали, концентрации пленкообразующих растворов, условий нанесения покрытия (температуры и влажности воздуха) и др. Длина волны, соответствующая максимальному отражению, max связана с оптической толщиной покрытия h соотношением
max = 4nh,
где n – число слоев. Рассчитанная по этому уравнению оптическая толщина покрытия,
Rmax, %
28

23
21
460 540 620 , нм 700 Рис. 1. Зависимости коэффициента отражения однослойных интерференционных покрытий от длины волны, полученных из спиртовых растворов ТЭТ с продолжительностью созревания, ч: 1 – 3, 2 – 4, 3 – 6, 4 – 1, 5 – 24, 6 – 48.
66

26
24
1 3 5 24 48 , ч Рис. 2. Зависимость максимального коэффициента отражения однослойных интерференционных покрытий от длительности созревания  спиртовых растворов ТЭТ.
“Оптический журнал”, 79, 1, 2012

полученного из раствора ТЭТ с продолжительностью созревания 3 ч, равна h = 540/4 = = 135 нм.
Влияние длительности созревания растворов ТЭТ на оптическую толщину светоделительных покрытий, при прочих одинаковых условиях, связано с процессами сольватации, гидролиза и поликонденсации, протекающими в этих растворах при их созревании. В работах [6–9] отмечено, что в процессе созревания растворов образуются вследствие сольватации смешанные соединения ТЭТ, растворителя (этанола) и соляной кислоты. Эти соединения склонны к ассоциации посредством водородных связей. Одновременно при этом протекает и процесс гидролиза, приводящий к образованию гидролизованных ассоциатов. Последние, ввиду наличия гидроксильных групп, склонны к поликонденсации, что подтверждается увеличением во времени вязкости выдерживаемых растворов. Поликонденсация сопровождается оксоляцией связей с образованием оксомостиков

H

O Ti Ti
O

–H2O

Ti Ti . O

H
Оба процесса – поликонденсация и оксоляция – приводят к образованию более крупных, по сравнению с исходными, частиц. Вследствие этого, при одних и тех же условиях нанесения покрытий, их оптическая толщина возрастает с увеличением времени созревания растворов. Так, для растворов, выдержанных в течение 6 ч, она составляет 145 нм, а для растворов со временем выдержки 48 ч уже 160 нм. Поскольку оптическая толщина покрытий, полученных из растворов ТЭТ, выдержанных в течение 3 ч, меньше и составляет 135 нм, то, по-видимому, степень ассоциации в таких растворах невысока, и в них преобладают гидролизованные полимерные частицы преимущественно с оловыми мостиками. В растворах же со временем созревания более 3 ч доминирующую роль играют уже, вероятно, процессы оксоляции, приводящие к образованию крупных частиц, сконденсированных посредством оксо-связей.
Снижение коэффициента отражения для покрытий, нанесенных с использованием растворов ТЭТ с длительностью созревания более 3 ч, объясняется следующим. Известно, что

коэффициент отражения света определяется значением показателя преломления нанесенного покрытия. При этом, чем больше разница в значениях показателей преломления покрытия и подложки (субстрата), тем выше и коэффициент отражения. Значения последнего зависят от свойств самого покрытия: его плотности, твердости и структуры. Свойства же покрытия, в свою очередь, определяются указанными ранее процессами, протекающими в растворах ТЭТ при их созревании. Так, например, поликонденсация и оксоляция способствуют увеличению твердости и плотности покрытия. Таким образом, максимальное значение коэффициента отражения можно соотнести с максимальным значением показателя преломления покрытия. Полученные результаты показывают, что наибольшее значение показателя преломления однослойного покрытия достигается при продолжительности созревания растворов ТЭТ около 3 ч. В этой связи, для нанесения многослойных интерференционных светоделительных покрытий использовались спиртовые растворы ТЭТ именно с такой длительностью созревания. Были изготовлены трех-, пяти-, семии девятислойные светоделительные покрытия. Зависимости коэффициента отражения R от длины волны  для них приведены на рис. 3. Видно, что с увеличением количества слоев светоотражающие способности покрытий уве-

R, %
100
80

5 4
3

60 2

40
1
20 500 540 580 , нм 620
Рис. 3. Зависимости коэффициента отражения от длины волны одно-(1), трех-(2), пяти-(3), семи-(4) и девятислойных (5) интерференционных покрытий, полученных из спиртовых растворов ТЭС и ТЭТ (у последних с временем созревания 3 ч).

“Оптический журнал”, 79, 1, 2012

67

личиваются и у девятислойного значение коэффициента отражения в максимуме достигает 96% (кривая 5). При сравнении полученных максимальных значений коэффициента отражения покрытий с рассчитанными теоретически, оказалось, что они приблизительно соответствуют значениям показателя преломления слоев оксида титана состава TiO2. Такие значения достигаются лишь при использовании для нанесения покрытий свежеприготовленных спиртовых растворов ТЭТ со временем созревания около 3 ч. На основе результатов эксперимента был разработан способ изготовления интерференционных покрытий, на который получено авторское свидетельство [5].

Выводы
Спиртовые растворы ТЭТ созревают достаточно быстро и спустя 1 ч с момента своего приготовления уже пригодны для нанесения интерференционных светоделительных покрытий. Максимальные значения коэффициента отражения покрытий достигаются при использовании свежеприготовленных спиртовых растворов ТЭТ, выдержанных около 3 ч при температуре 20 ± 2 С.
Применение растворов ТЭТ с длительностью созревания более 3 ч приводит к снижению коэффициента отражения у покрытия и увеличению его оптической толщины.

* ****

ЛИТЕРАТУРА
1. Суйковская Н.В., Загоскина В.Г. Ахроматические просветляющие покрытия для высокопреломляющих стекол // ОМП. 1980. № 5. С. 32–35.
2. Круглова А.В., Кулешов А.П., Кузнецов А.Я. Просветляющие покрытия на деталях сложной формы // ОМП. 1980. № 3. С. 55–57.
3. Грибов Б.Г., Бараненков И.В., Петров В.Н., Кощиенко А.В., Козыркин Б.И. Получение оптических покрытий методом химического осаждения из газовой фазы // ОМП. 1986. № 5. С. 47–56.
4. Суйковская Н.В. Химические методы получения тонких прозрачных пленок. Л.: Химия, 1971. 200 с.
5. Гуров А.А., Ивлева Н.А., Фадеева Л.М., Рысин В.П. Способ изготовления интерференционных покрытий // А.с. № 1582165. Бюл. изобр. 1990. № 28. С. 202.
6. Гуров А.А., Синегрибова О.А., Богородский О.В. Поведение титана в азотнокислых растворах // Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1982. В. 125. С. 68–71.
7. Синегрибова О.А., Гуров А.А. Некоторые свойства Zr-Ti сополимера // Труды МХТИ им. Д.И. Менделеева. 1982. В. 125. С. 65–68.
8. Гуров А.А., Синегрибова О.А., Ягодин Г.А. Взаимодействие титана с цирконием при гидролизе в азотнокислых растворах // Журнал неорганической химии. 1984. Т. 29. В. 5. С. 1164–1167.
9. Гуров А.А., Синегрибова О.А. Образование смешанных полимерных соединений циркония с титаном в азотнокислых растворах // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1981. Т. 24. В. 11. С. 1330– 1333.

68 “Оптический журнал”, 79, 1, 2012