薄膜材料熱輻射穿透深度的影響因素分析

薄膜材料熱輻射穿透深度的影響因素分析

0材料熱輻射穿透深度當熱輻射射射在一定厚度的材料表面時，材料表面的某些熱輻射會被反射。其他熱輻射通過材料表面進入材料，并逐漸被材料吸收。未完全吸收的熱輻射穿過材料，形成傳輸。所以任何材料對熱輻射的吸收都是在一定的體積內完成的;對于具有一定體積和形狀的材料而言,熱輻射在材料中傳播具有一定的穿透深度。對材料熱輻射穿透深度的研究意義重大,材料的熱輻射穿透深度直接影響材料的熱輻射特性。理論研究表明,提高材料的熱輻射穿透深度可以有效地提高材料的發(fā)射率與吸收率,從而提高材料的熱輻射性能。近年來,薄膜材料以其許多獨特的微觀結構和物理、化學性能以及熱輻射性能引起了人們的極大關注,正被廣泛應用于工業(yè)生產和科學技術的各個領域,薄膜材料已成為材料工業(yè)乃至整個社會可持續(xù)發(fā)展的重要方向。由于薄膜材料具有獨特的熱輻射性能,薄膜材料的熱輻射穿透深度不同于常規(guī)材料。1材料穿透深度的測量材料的熱輻射性質可由折射率n和消光系數k二個參量來概括。它們分別為復數折射率ˉnnˉ的實部和虛部:ˉn=n+ik(1)nˉ=n+ik(1)一束頻率為ν的平面電磁波沿材料中某一個方向(x軸)傳播時,其電場強度具有如下形式:E=E0exp[iω(xv-t)](2)E=E0exp[iω(xv?t)](2)式中:v為波的傳播速度,與復數折射率關系如下:v=c/ˉn(3)v=c/nˉ(3)將式(1)、(3)代入式(2),可得:E=E0exp(-iωt)exp(iωxn/c)exp(-ωxk/c)(4)E=E0exp(?iωt)exp(iωxn/c)exp(?ωxk/c)(4)式中:c為真空中的光速。從上式可以看出,熱輻射的強度在材料中傳播時按如下形式衰減:I(x)=I(0)exp(-αx)(5)式中:α為吸收系數,表征熱輻射在材料內部傳播時的衰減速度。比較式(4)和式(5),可得到:α=2ωk/c=4πvk/c=4πk/λ0(6)從吸收系數α和消光系數k可以定義熱輻射在材料中的穿透深度d。根據經典的光譜學理論,穿透深度可定義為當熱輻射的強度衰減到原輻射強度的1/e(即36.8%)時,熱輻射所穿透材料的厚度,從而有:d=1/α=λ0/4πk(7)根據表面輻射特性的電磁理論分析,材料的折射率n與消光系數k為n=c√εμ{√1+[σ/(εω)]2+12}1/2(8)k=c√εμ{√1+[σ/(εω)]2-12}1/2(9)式中:σ為材料的電導率,ε為材料的介電常數,μ為材料的磁導率,ω=2πv為熱輻射的角頻。特別地,對于金屬材料,其消光系數為k≈√σμcλ0/4π(10)所以金屬材料的熱輻射穿透深度為d=√λ0/4πσμc(11)對于非金屬材料,其消光系數為k≈σλ0/4π√μ/ε(12)可得非金屬材料的熱輻射穿透深度:d=1/σ√ε/μ(13)式中:λ0為熱輻射在真空中的波長。從式(11)和(13)中可以看出,材料的熱輻射穿透深度主要取決于材料的電學性質,影響材料熱輻射穿透深度的主要因素有材料的電導率、介電常數以及磁導率。由于非金屬材料的電導率遠小于金屬材料的電導率,所以非金屬材料的熱輻射穿透深度大于金屬材料的熱輻射穿透深度,使得非金屬材料的發(fā)射率一般大于金屬材料的發(fā)射率。2薄膜材料的熱輻射穿透深度2.1納米薄膜材料的電阻特性納米薄膜材料一般是指其特征維度尺寸為納米數量級(1～100nm)的薄膜材料,納米薄膜具有納米結構的特殊性質。目前可以分為兩類:(1)含有納米微粒和原子團簇——基質薄膜;(2)納米尺寸厚度的薄膜,其厚度接近電子自由程。由于納米薄膜的納米相粒子的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等使得納米薄膜在光學性能、電學性能、磁學性能、力學性能、催化性能、生物性能等方面呈現出常規(guī)材料不具備的特性。在電學性質方面,電導(電阻)是材料一個重要的性能。納米薄膜材料的電阻隨溫度變化的規(guī)律與常規(guī)材料基本相似;其差別在于納米薄膜的電阻高于常規(guī)材料,電阻溫度系數強烈地依靠于晶粒尺寸。在實際晶體中由于原子在其平衡位置附近作熱振動,晶體中存在大量雜質或缺陷以及晶界,當電子在實際晶體中的傳播時,散射作用使電子的運動受到了障礙,這就產生了電阻。在納米薄膜材料中存在大量的晶界,幾乎使大量電子運動局限在小顆粒范圍內,晶界原子排列越混亂,晶界厚度越大,對電子散射能力就越強;界面的這種強散射是使電阻升高的主要原因?？偟膩碚f,納米薄膜從微結構來分析,它對電子的散射可劃分為兩個部分:一是顆粒(晶內)組元;二是界面組元(晶界)。當顆粒尺寸與電子的平均自由程相當時,界面組元對電子的散射有明顯的作用。當顆粒尺寸大于電子平均自由程時,晶內組元對電子的散射逐漸占優(yōu)勢;顆粒尺寸越大,電阻和電阻溫度系數接近常規(guī)材料。這是因為常規(guī)材料主要是以晶內散射為主。當顆粒尺寸小于電子平均自由程,使界面對電子的散射起主導作用;這時電阻與溫度的關系以及電阻溫度系數的變化都明顯地偏離了一般的情況,甚至出現了反常現象。就薄膜材料自身而言,隨薄膜厚度的減小,其微結構和性能明顯不同于常規(guī)材料。如可獲得透明導電薄膜、有機發(fā)光薄膜、光電轉換薄膜、巨磁阻薄膜、垂直磁記錄薄膜、具有特殊綜合性能的人造金剛石薄膜、具有優(yōu)良機械性能的金屬陶瓷多層復合薄膜、具有優(yōu)異結構和功能性能的非晶薄膜、對各種環(huán)境因素(聲、光、電、力、各種氣體)具有敏感特性的傳感薄膜等。2.2薄膜材料厚度的影響連續(xù)金屬薄膜的電導率為σ=σ∞[1-(12+34λt)(1-pe-ζλt)e-tλ](14)式中:σ∞是薄膜厚度為∞時的電導率,λ為電子的平均自由程,t為薄膜厚度,p為表面散射的鏡面反射系數,ζ為與膜面平行晶界散射時的穿透參量。利用公式(11),可得金屬薄膜的熱輻射穿透深度為d=√ε0λ0c4πσ∞[1-(12+34λt)(1-pe-ζλt)e-tλ](15)從上式可以看出,薄膜材料的熱輻射穿透深度與薄膜厚度密切相關。當金屬納米薄膜材料的厚度與電子的平均自由程相當時,薄膜材料的厚度會對材料的熱輻射穿透深度產生很大的影響;而常規(guī)材料由于其特征尺寸遠大于電子的平均自由程,其電導率基本上不隨薄膜材料厚度的改變而改變,這時薄膜材料的厚度不會對薄膜的熱輻射穿透深度產生任何的影響。以金屬鉑薄膜為例進行計算,取紅外熱輻射波長λ0=3μm,電子平均自由程λ=38nm,與膜面平行晶界散射時的穿透參量ζ=0.205,表面散射的鏡面反射系數p=0.5373,常規(guī)材料的電導率σ∞=0.23μΩ-1·cm-1,ε0=8.8542×10-12F/m,μ0=4π×10-7H/m,c=3×108m/s。計算結果如圖1所示。由圖1可以看出,金屬薄膜的厚度越小,其熱輻射穿透深度越深。減小薄膜的厚度有助于提高薄膜的熱輻射穿透深度。當金屬薄膜的厚度小于電子的平均自由程時,薄膜材料的熱輻射穿透深度急劇上升;若金屬薄膜的厚度再進一步減小到一定的厚度時,這時導電的金屬薄膜也會成為絕緣體,其電導率趨于0,在這種情況下,薄膜的熱輻射穿透深度可以得到大幅度的提高。在本例中可以計算求出鉑金屬薄膜材料轉變?yōu)榻^緣體的臨界厚度,經計算可得其臨界厚度d*≈12.5nm。另外從圖中還可以看出,薄膜材料的厚度較大時,其熱輻射穿透基本上不隨薄膜厚度的改變而改變。只有當薄膜的厚度減小到與電子的平均自由程相當時,薄膜厚度才會對熱輻射穿透深度產生顯著的影響;若薄膜材料的厚度與電子平均自由程相差較遠,即使薄膜的厚度達到納米數量級甚至更小,薄膜厚度對熱輻射穿透深度的影響也可以忽略。3薄膜材料厚度對熱輻射性能的影響當熱輻射投射到薄膜材料表面時,薄膜材料會反射一部分熱輻射。根據電磁理論分析,垂直入射條件下薄膜材料對熱輻射的反射率為R=(n-1)2+k2(n+1)2+k2(16)式中:n為折射率,k為消光系數。從上式可以看出,當薄膜材料的折射率不變時,消光系數越大其反射率越接近于1,所以要降低薄膜材料對熱輻射的反射率以提高發(fā)射率與吸收率,就應該盡量降低薄膜材料的消光系數。另外從式(7)還可看出,薄膜材料的消光系數直接影響其熱輻射穿透深度,熱輻射穿透深度與消光系數成反比,降低消光系數可以提高薄膜材料的熱輻射穿透深度。所以提高薄膜材料的熱輻射穿透深度可以有效地降低薄膜材料對熱輻射的反射。另一方面,當薄膜材料的厚度為納米數量級時,其熱輻射性能在很大程度上還取決于薄膜材料的厚度。如果薄膜材料的厚度小于薄膜材料的熱輻射穿透深度,盡管其反射率很小,但大部分的熱輻射透射出了薄膜材料,薄膜材料對熱輻射的吸收仍然很小。反之,若薄膜材料的厚度大于其熱輻射穿透深度,熱輻射則會在薄膜材料內部逐漸地被材料所吸收,而無透射。對于薄膜材料,雖然減小薄膜的厚度可以提高熱輻射穿透深度,但如果材料的厚度減至其熱輻射穿透深度時,進一步減小薄膜厚度會增加熱輻射的透射,這又不利于提高薄膜材料的熱輻射性能。所以要提高薄膜材料的熱輻射性能,使薄膜材料的發(fā)射率與吸收率達到極大值,存在一個最佳的薄膜厚度。根據式(8)和式(9)以及相關材料發(fā)射率的公式,對金屬鉑薄膜材料的發(fā)射率進行數值計算,可計算出薄膜材料的發(fā)射率。薄膜厚度對其發(fā)射率的影響如圖2所示。從圖2可以看出,隨著薄膜厚度的不斷減小,薄膜材料的發(fā)射率逐漸增加,達到極大值后急劇減小而趨于0。當薄膜厚度大于其電子平均自由程時,薄膜厚度對其熱輻射穿透深度的影響不大,從而材料厚度對其發(fā)射率的影響也并不明顯。當薄膜厚度小于薄膜材料電子的平均自由程時,減小薄膜厚度可以大幅度提高薄膜材料的熱輻射穿透深度;這時材料厚度會對其發(fā)射率產生很大的影響,材料的發(fā)射率迅速上升。如果進一步減小薄膜材料的厚度,由于材料的熱輻射穿透深度大于材料的厚度,這時絕大部分熱輻射透射出了薄膜材料,使得薄膜材料的發(fā)射率急劇下降。因此,要使薄膜材料獲得良好的熱輻射特性,薄膜材料的厚度是至關重要的。通過計算可得最佳的薄膜厚度dopt=12.9nm,這時薄膜材料的發(fā)射率達到最大值。由于薄膜厚度對其熱輻射性能的影響,對于單一的金屬薄膜不可能具有很高的發(fā)射率與吸收率;但通過減小薄膜厚度后其發(fā)射率可以提高至原發(fā)射率的5倍左右,薄膜材料的熱輻射特性可以得到顯著的提高。如果要進一步提高薄膜材料的整體發(fā)射率與吸收率,可以對薄膜材料進行復合,采用幾層或多層薄膜;這樣即可以提高薄膜的厚度,又不會對熱輻射穿透深度產生影響。4納米薄膜材料的導電性能(1)材料的熱輻射穿透深度主要取決于材料的電學性質,影響材料熱輻射穿透深度的主要因素有材料的電導率、介電常數以及磁導率;金屬材料的熱輻射透射深度與熱輻射的波長有關,而非金屬材料的熱輻射穿透深度只取決于材料本身。(2)納米薄膜材料的電阻隨溫度變化的規(guī)律與常規(guī)材料基本相似;其差別在于納米薄膜的電阻高于常規(guī)材料,電阻溫度系數強烈地依靠于晶粒