薄膜材料热辐射穿透深度的影响因素分析

薄膜材料热辐射穿透深度的影响因素分析

0材料热辐射穿透深度当热辐射射射在一定厚度的材料表面时，材料表面的某些热辐射会被反射。其他热辐射通过材料表面进入材料，并逐渐被材料吸收。未完全吸收的热辐射穿过材料，形成传输。所以任何材料对热辐射的吸收都是在一定的体积内完成的;对于具有一定体积和形状的材料而言,热辐射在材料中传播具有一定的穿透深度。对材料热辐射穿透深度的研究意义重大,材料的热辐射穿透深度直接影响材料的热辐射特性。理论研究表明,提高材料的热辐射穿透深度可以有效地提高材料的发射率与吸收率,从而提高材料的热辐射性能。近年来,薄膜材料以其许多独特的微观结构和物理、化学性能以及热辐射性能引起了人们的极大关注,正被广泛应用于工业生产和科学技术的各个领域,薄膜材料已成为材料工业乃至整个社会可持续发展的重要方向。由于薄膜材料具有独特的热辐射性能,薄膜材料的热辐射穿透深度不同于常规材料。1材料穿透深度的测量材料的热辐射性质可由折射率n和消光系数k二个参量来概括。它们分别为复数折射率ˉnn¯的实部和虚部:ˉn=n+ik(1)n¯=n+ik(1)一束频率为ν的平面电磁波沿材料中某一个方向(x轴)传播时,其电场强度具有如下形式:E=E0exp[iω(xv-t)](2)E=E0exp[iω(xv−t)](2)式中:v为波的传播速度,与复数折射率关系如下:v=c/ˉn(3)v=c/n¯(3)将式(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为真空中的光速。从上式可以看出,热辐射的强度在材料中传播时按如下形式衰减:I(x)=I(0)exp(-αx)(5)式中:α为吸收系数,表征热辐射在材料内部传播时的衰减速度。比较式(4)和式(5),可得到:α=2ωk/c=4πvk/c=4πk/λ0(6)从吸收系数α和消光系数k可以定义热辐射在材料中的穿透深度d。根据经典的光谱学理论,穿透深度可定义为当热辐射的强度衰减到原辐射强度的1/e(即36.8%)时,热辐射所穿透材料的厚度,从而有:d=1/α=λ0/4πk(7)根据表面辐射特性的电磁理论分析,材料的折射率n与消光系数k为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为材料的电导率,ε为材料的介电常数,μ为材料的磁导率,ω=2πv为热辐射的角频。特别地,对于金属材料,其消光系数为k≈√σμcλ0/4π(10)所以金属材料的热辐射穿透深度为d=√λ0/4πσμc(11)对于非金属材料,其消光系数为k≈σλ0/4π√μ/ε(12)可得非金属材料的热辐射穿透深度:d=1/σ√ε/μ(13)式中:λ0为热辐射在真空中的波长。从式(11)和(13)中可以看出,材料的热辐射穿透深度主要取决于材料的电学性质,影响材料热辐射穿透深度的主要因素有材料的电导率、介电常数以及磁导率。由于非金属材料的电导率远小于金属材料的电导率,所以非金属材料的热辐射穿透深度大于金属材料的热辐射穿透深度,使得非金属材料的发射率一般大于金属材料的发射率。2薄膜材料的热辐射穿透深度2.1纳米薄膜材料的电阻特性纳米薄膜材料一般是指其特征维度尺寸为纳米数量级(1～100nm)的薄膜材料,纳米薄膜具有纳米结构的特殊性质。目前可以分为两类:(1)含有纳米微粒和原子团簇——基质薄膜;(2)纳米尺寸厚度的薄膜,其厚度接近电子自由程。由于纳米薄膜的纳米相粒子的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等使得纳米薄膜在光学性能、电学性能、磁学性能、力学性能、催化性能、生物性能等方面呈现出常规材料不具备的特性。在电学性质方面,电导(电阻)是材料一个重要的性能。纳米薄膜材料的电阻随温度变化的规律与常规材料基本相似;其差别在于纳米薄膜的电阻高于常规材料,电阻温度系数强烈地依靠于晶粒尺寸。在实际晶体中由于原子在其平衡位置附近作热振动,晶体中存在大量杂质或缺陷以及晶界,当电子在实际晶体中的传播时,散射作用使电子的运动受到了障碍,这就产生了电阻。在纳米薄膜材料中存在大量的晶界,几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围内,晶界原子排列越混乱,晶界厚度越大,对电子散射能力就越强;界面的这种强散射是使电阻升高的主要原因。总的来说,纳米薄膜从微结构来分析,它对电子的散射可划分为两个部分:一是颗粒(晶内)组元;二是界面组元(晶界)。当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时,界面组元对电子的散射有明显的作用。当颗粒尺寸大于电子平均自由程时,晶内组元对电子的散射逐渐占优势;颗粒尺寸越大,电阻和电阻温度系数接近常规材料。这是因为常规材料主要是以晶内散射为主。当颗粒尺寸小于电子平均自由程,使界面对电子的散射起主导作用;这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地偏离了一般的情况,甚至出现了反常现象。就薄膜材料自身而言,随薄膜厚度的减小,其微结构和性能明显不同于常规材料。如可获得透明导电薄膜、有机发光薄膜、光电转换薄膜、巨磁阻薄膜、垂直磁记录薄膜、具有特殊综合性能的人造金刚石薄膜、具有优良机械性能的金属陶瓷多层复合薄膜、具有优异结构和功能性能的非晶薄膜、对各种环境因素(声、光、电、力、各种气体)具有敏感特性的传感薄膜等。2.2薄膜材料厚度的影响连续金属薄膜的电导率为σ=σ∞[1-(12+34λt)(1-pe-ζλt)e-tλ](14)式中:σ∞是薄膜厚度为∞时的电导率,λ为电子的平均自由程,t为薄膜厚度,p为表面散射的镜面反射系数,ζ为与膜面平行晶界散射时的穿透参量。利用公式(11),可得金属薄膜的热辐射穿透深度为d=√ε0λ0c4πσ∞[1-(12+34λt)(1-pe-ζλt)e-tλ](15)从上式可以看出,薄膜材料的热辐射穿透深度与薄膜厚度密切相关。当金属纳米薄膜材料的厚度与电子的平均自由程相当时,薄膜材料的厚度会对材料的热辐射穿透深度产生很大的影响;而常规材料由于其特征尺寸远大于电子的平均自由程,其电导率基本上不随薄膜材料厚度的改变而改变,这时薄膜材料的厚度不会对薄膜的热辐射穿透深度产生任何的影响。以金属铂薄膜为例进行计算,取红外热辐射波长λ0=3μm,电子平均自由程λ=38nm,与膜面平行晶界散射时的穿透参量ζ=0.205,表面散射的镜面反射系数p=0.5373,常规材料的电导率σ∞=0.23μΩ-1·cm-1,ε0=8.8542×10-12F/m,μ0=4π×10-7H/m,c=3×108m/s。计算结果如图1所示。由图1可以看出,金属薄膜的厚度越小,其热辐射穿透深度越深。减小薄膜的厚度有助于提高薄膜的热辐射穿透深度。当金属薄膜的厚度小于电子的平均自由程时,薄膜材料的热辐射穿透深度急剧上升;若金属薄膜的厚度再进一步减小到一定的厚度时,这时导电的金属薄膜也会成为绝缘体,其电导率趋于0,在这种情况下,薄膜的热辐射穿透深度可以得到大幅度的提高。在本例中可以计算求出铂金属薄膜材料转变为绝缘体的临界厚度,经计算可得其临界厚度d*≈12.5nm。另外从图中还可以看出,薄膜材料的厚度较大时,其热辐射穿透基本上不随薄膜厚度的改变而改变。只有当薄膜的厚度减小到与电子的平均自由程相当时,薄膜厚度才会对热辐射穿透深度产生显著的影响;若薄膜材料的厚度与电子平均自由程相差较远,即使薄膜的厚度达到纳米数量级甚至更小,薄膜厚度对热辐射穿透深度的影响也可以忽略。3薄膜材料厚度对热辐射性能的影响当热辐射投射到薄膜材料表面时,薄膜材料会反射一部分热辐射。根据电磁理论分析,垂直入射条件下薄膜材料对热辐射的反射率为R=(n-1)2+k2(n+1)2+k2(16)式中:n为折射率,k为消光系数。从上式可以看出,当薄膜材料的折射率不变时,消光系数越大其反射率越接近于1,所以要降低薄膜材料对热辐射的反射率以提高发射率与吸收率,就应该尽量降低薄膜材料的消光系数。另外从式(7)还可看出,薄膜材料的消光系数直接影响其热辐射穿透深度,热辐射穿透深度与消光系数成反比,降低消光系数可以提高薄膜材料的热辐射穿透深度。所以提高薄膜材料的热辐射穿透深度可以有效地降低薄膜材料对热辐射的反射。另一方面,当薄膜材料的厚度为纳米数量级时,其热辐射性能在很大程度上还取决于薄膜材料的厚度。如果薄膜材料的厚度小于薄膜材料的热辐射穿透深度,尽管其反射率很小,但大部分的热辐射透射出了薄膜材料,薄膜材料对热辐射的吸收仍然很小。反之,若薄膜材料的厚度大于其热辐射穿透深度,热辐射则会在薄膜材料内部逐渐地被材料所吸收,而无透射。对于薄膜材料,虽然减小薄膜的厚度可以提高热辐射穿透深度,但如果材料的厚度减至其热辐射穿透深度时,进一步减小薄膜厚度会增加热辐射的透射,这又不利于提高薄膜材料的热辐射性能。所以要提高薄膜材料的热辐射性能,使薄膜材料的发射率与吸收率达到极大值,存在一个最佳的薄膜厚度。根据式(8)和式(9)以及相关材料发射率的公式,对金属铂薄膜材料的发射率进行数值计算,可计算出薄膜材料的发射率。薄膜厚度对其发射率的影响如图2所示。从图2可以看出,随着薄膜厚度的不断减小,薄膜材料的发射率逐渐增加,达到极大值后急剧减小而趋于0。当薄膜厚度大于其电子平均自由程时,薄膜厚度对其热辐射穿透深度的影响不大,从而材料厚度对其发射率的影响也并不明显。当薄膜厚度小于薄膜材料电子的平均自由程时,减小薄膜厚度可以大幅度提高薄膜材料的热辐射穿透深度;这时材料厚度会对其发射率产生很大的影响,材料的发射率迅速上升。如果进一步减小薄膜材料的厚度,由于材料的热辐射穿透深度大于材料的厚度,这时绝大部分热辐射透射出了薄膜材料,使得薄膜材料的发射率急剧下降。因此,要使薄膜材料获得良好的热辐射特性,薄膜材料的厚度是至关重要的。通过计算可得最佳的薄膜厚度dopt=12.9nm,这时薄膜材料的发射率达到最大值。由于薄膜厚度对其热辐射性能的影响,对于单一的金属薄膜不可能具有很高的发射率与吸收率;但通过减小薄膜厚度后其发射率可以提高至原发射率的5倍左右,薄膜材料的热辐射特性可以得到显著的提高。如果要进一步提高薄膜材料的整体发射率与吸收率,可以对薄膜材料进行复合,采用几层或多层薄膜;这样即可以提高薄膜的厚度,又不会对热辐射穿透深度产生影响。4纳米薄膜材料的导电性能(1)材料的热辐射穿透深度主要取决于材料的电学性质,影响材料热辐射穿透深度的主要因素有材料的电导率、介电常数以及磁导率;金属材料的热辐射透射深度与热辐射的波长有关,而非金属材料的热辐射穿透深度只取决于材料本身。(2)纳米薄膜材料的电阻随温度变化的规律与常规材料基本相似;其差别在于纳米薄膜的电阻高于常规材料,电阻温度系数强烈地依靠于晶粒