CN1293589C - 光纤面板表面制作透明电极的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用高温热解法将透明导电薄膜制备于微通道板选通X射线皮秒分幅相机的光纤面板上用作透明电极的方法。与其它镀膜方法相比，本方法具有制备工艺简单，生产设备及原材料价格低廉的优点。所制透明电极与光纤面板的结合强度大；耐酸碱腐蚀，稳定性好；薄膜方阻小于30Ω/□、平均透过率高于90%。通过实验测试证明了透明电极不但成功解决了电极打火现象、提高了图像的清晰度，而且减小了图像失真，提高了相机的分辨率。这种透明电极可普遍替代现有的条纹相机、微光夜视仪等仪器中的Al膜透明电极。

Description

光纤面板表面制作透明电极的方法

一、技术领域

本发明属于透明导电薄膜在高新领域中的新应用，涉及一种在光纤面板表面制备透明电极的方法，特别涉及一种采用高温热解法将透明导电薄膜制备于微通道板选通X射线皮秒分幅相机的光纤面板表面用作透明电极的方法。

二、背景技术

条纹相机是一套集光、机、电和计算机技术于一体的超高速摄影系统，是测量高速、超短发光现象的绝好设备。在核物理学、爆轰学、等离子体物理、电力放电以及燃烧化学等纳秒量级微弱发光现象的研究中，有着广泛的应用。在国外，从事条纹相机研究的机构主要是美国利弗莫尔实验室、日本滨松光电器件株式会社。在国内，南京近代声学国家重点实验室研制了多种型号不同用途的条纹相机；中物院核化所和西安光机所联合研制了MCP选通X射线皮秒分幅相机。目前这些相机的快门元件均采用微通道板(MCP)。虽然MCP快门可获得很高的时间和空间分辨率和较小的图象几何畸变，而被广泛应用，但仍会造成图像的失真。中科院西安光学精密机械研究所研制的微通道板选通X射线皮秒分幅相机具有较小的图像失真和较高的图像分辨率。其原因是在MCP快门与CCD相机间加一光纤面板(FOP)，通过在FOP端面加载正向高电压产生加速电场，使从电阴极表面逸出的光电子经MCP倍增放大后，在此高压的作用下近贴聚焦到FOP表面的荧光屏上，并由CCD相机记录。由于电场的加速，减小了电子到达荧光屏的时间，从而减小了内在电子的散射，因此减小了图像的失真；FOP比玻璃具有更好的光学传递函数，因此将荧光物质制作于FOP表面作为荧光屏是图像的失真小、分辨率高的另一重要原因。为了达到上述既要加载电压又要透光目的，需要在FOP表面制作透明电极。目前均采用在FOP表面真空蒸镀Al膜的方法制成透明电极。此电极存在以下缺点：1)在FOP表面蒸镀的Al膜与FOP的结合力欠佳，膜强度低，接触电阻很大，在使用中易发生电极打火现象；2)金属薄膜的透过率较低(一般只有30～40％)，图像的清晰度不高；3)真空镀膜的成本较高。

三、发明内容

根据上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明旨在提供一种在光纤面板表面制作透明电极的方法。

采用高温热解工艺将透明导电薄膜制备于光纤面板表面作为透明电极应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机中，以达到消除在加载高电压时电极打火、提高图像清晰度、减小图像失真、提高图像分辨率的目的。

透明导电薄膜不仅电阻率低，而且薄膜材料与FOP衬底表面形成类似釉面的化学结合，具有优良的膜强度，用作微通道板选通X射线皮秒分幅相机的透明电极，可从根本上消除电极打火现象。透明导电薄膜的可见光透过率高(通常大于90％)，可大大提高图像的清晰度。采用高温热解法制备透明导电薄膜所需设备及制备工艺相对简单，所需原料价格低廉，制造成本远远低于真空镀膜和其它镀膜工艺，在良好的工艺条件控制下，所制薄膜不仅具备优良的光、电特性，而且薄膜的均匀性也可与真空镀膜相媲美。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是，采用高温热解法将透明导电薄膜制备于微通道板选通X射线皮秒分幅相机的光纤面板上，包括以下步骤：

1)确定光纤面板的温度特性

按照与金属环电极封装后的光纤面板的升温特性曲线，考虑玻璃与金属的热膨胀系数的差异，确定成膜温度范围为400℃＜T＜480℃；

2)原料配比

在成膜温度范围内，确定两种原料(NH₄F、SnCl₄·5H₂O)的配比为F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％；

3)光纤面板表面的清洗

分别用蒸馏水和乙醇清洁光纤面板表面，祛除污渍及油污后，再放入超声清洗器中用70％的乙醇溶液超声清洗10min，取出置于洁净的烘箱中烘干备用；

4)透明电极的制备

(1)将按上述配比配制的源溶液经超声雾化器雾化，要求其雾化量为0.5ml/s～0.75ml/s，液滴颗粒小于0.5μm，均匀分布在直径约为10cm的柱形空间内；

(2)雾化液滴在载气输运下经预热装置加热到70℃后，送至加热到成膜温度要求的光纤面板表面，发生高温热解反应成膜；

(3)采用多次喷涂，且单次喷涂时间不长于10s，通过控制每次喷涂的时间和喷涂次数控制透明电极的电阻；

5)退火处理

退火时，将温度由成膜温度降至330℃，降温速度控制为20℃/h；当温度从330℃降至室温时，降温速度控制为50℃/h。

本发明的另一特点是，所述成膜温度范围400℃＜T＜480℃内的最佳成膜温度为430℃。

本发明的光纤面板表面制作透明电极的方法，带来了以下技术效果：

1.透明电极与FOP结合强度

电极材料主要成分为SnO₂，在高温热解反应过程中可与FOP表面的SiO₂形成化学键，从而使薄膜键合于FOP表面。由于二者靠原子间作用力结合，其结合强度很大，远远高于Al膜电极。

2.透明电极稳定性测试

透明导电薄膜中的Sn为稳定的+4价，在空气中不会被氧化，并且不易与其它的化学物质反应，稳定性好。将光纤面板表面的透明电极分别浸泡在多种强酸强碱溶液中72小时，其性能均无变化。

3.透明电极的电阻

当单次喷涂时间为5s时，透明电极的电阻随喷涂次数的变化关系见表1，其最小方阻小于30Ω/□。采用本工艺可根据不同的电阻要求，通过控制每次的喷涂时间和喷涂次数，制备出各种电阻要求的透明电极。

                1  透明电极的电阻与喷涂次数的关系

4.透明电极的透过率

分别测试单次喷涂时间为5s、喷涂5次所得透明电极的透过率随波长的变化曲线(附图3)。由曲线知，透明电极对可见光及紫外线具有良好的透过率，可见光到紫外范围内，透过率平均高达90％以上。虽然在紫外区域内，透过率随波长减小而迅速减小，但在λ＝320nm时仍大于70％。所以，无论在哪个波段透明电极的透过率均好于Al膜电极(最高透过率只有40％)。

5.透明电极的实验测试

将此透明电极应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机作为电阳极，通过实验测试证实，这种透明电极不但消除了原Al膜电极的打火现象、提高了图像清晰度，而且减小了图像失真，提高了相机的分辨率。

6.透明电极的制备工艺简单、造价低廉

采用高温热解法制备透明电极的设备成本费用低，不需要真空镀膜和其它镀膜工艺必备的大型昂贵设备。原材料均为国内市场上的常规材料，且价格低廉。高温热解镀膜工艺的成本远远低于其它工艺。

四、附图说明

附图1为透明电极的电阻率及透过率随衬底温度的变化曲线。其中电阻率开始时随衬底温度的升高而减小，在420℃～440℃之间达到最小值4×10^-4Ω·cm，然后随衬底温度的继续升高而增大。透过率随衬底温度的升高而增大，在温度达425℃以后趋于一稳定值，约89％～91％。所以确定成膜的最佳温度为430℃。

附图2为原料配比对透明电极的电阻率及透过率的影响曲线，由图知溶液的原料配比对薄膜的电阻率影响很大，随着原料中F∶Sn配比的增大，电阻率明显减小，当两原料配比F∶Sn达到2.5wt％～3.0wt％时，电阻率达最小值，但很快又随F∶Sn的增大而迅速增大。而透过率随原料配比无明显变化。因此确定原料中F、Sn两组分的配比为2.5wt％～3.0wt％。

附图3是透明电极的透过率随波长的变化曲线图。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人依上述技术方案给出的实施例，对本发明作进一步的详细说明。

采用高温热解法将透明导电薄膜制备于微通道板选通X射线皮秒分幅相机的光纤面板表面形成透明电极的制作方法，按以下步骤进行：

1)研究光纤面板的温度特性

将金属环电极与光纤面板封装在一起，考虑到玻璃与金属的热膨胀系数的差异，为了保证加热过程中光纤面板既不破裂又不与金属环电极脱离，而且能够制备出高质量的薄膜，我们详细研究了上述光纤面板的升温特性曲线，同时，确定了合适的成膜温度范围为400℃＜T＜480℃。

2)确定成膜最佳温度点

在上述温度范围内，研究透明导电薄膜的电阻率、透过率与温度的关系(附图1)，确定最佳成膜温度为430℃。

3)原料最佳配比

温度为430℃时，研究原料的配比对透明导电膜的电阻率、透过率的影响(附图2)，确定两种原料(NH₄F、SnCl₄·5H₂O)的配比为F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％。

4)光纤面板表面的清洗

分别用蒸馏水和乙醇清洁光纤面板表面，祛除污渍及油污后，再放入超声清洗器中用70％的乙醇溶液超声清洗10min，取出置于洁净的烘箱中烘干备用。

5)透明电极的制备

将按上述配比配制的源溶液经超声雾化器雾化，要求其雾化量为0.5ml/s～0.75ml/s，液滴颗粒小于0.5μm，均匀分布在直径约为10cm的柱形空间内。雾化液滴在载气输运下经预热装置加热到70℃后，送至加热到430℃的光纤面板表面，发生高温热解反应成膜。为了保证透明电极电阻率并防止光纤面板破裂，采用多次喷涂的方法，且单次喷涂时间不长于10s。通过控制每次喷涂的时间和喷涂次数可控制透明电极的电阻。

6)退火处理

为了防止降温时光纤面板由于内外温度不均匀或因玻璃与金属的热膨胀系数不同而破裂。降温时，由成膜温度～330℃，控制降温速度为20℃/h；330℃～室温控制降温速度为50℃/h。

本发明首次将透明导电薄膜制备于光纤面板表面形成透明电极，应用于微通道板选通X射线皮秒分幅相机中。这一改进旨在提高这种相机在核物理学、爆轰学、等离子体物理、电力放电以及燃烧化学等纳秒量级微弱发光现象研究中的性能，尤其在核爆模拟中的可靠性和分辨率，消除Al电极在使用过程中的打火现象。此透明电极可普遍替代目前用在条纹相机、微光夜视仪等仪器中的Al膜电极。

实施例：

将制备好透明电极的光纤面板替换现有微通道板选通X射线皮秒分幅相机中Al膜电极的光纤面板，光纤面板透明电极上所制备荧光粉和安装方式等均与Al膜电极的光纤面板相同。实验表明，这种透明电极的光纤面板不但成功解决了原电极Al膜电极易出现的打火现象、提高了图像清晰度，而且减小了图像失真，提高了相机的分辨率。

Claims (2)

1.一种光纤面板表面制作透明电极的方法，其特征在于，采用高温热解法将透明导电薄膜制备于微通道板选通X射线皮秒分幅相机的光纤面板上，包括以下步骤：

1)确定光纤面板的温度特性

按照与金属环电极封装后的光纤面板的升温特性曲线，考虑玻璃与金属的热膨胀系数的差异，确定成膜温度范围为400℃＜T＜480℃；

2)原料配比

在成膜温度范围内，确定两种原料NH₄F、SnCl₄·5H₂O的配比为F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％；

3)光纤面板表面的清洗

分别用蒸馏水和乙醇清洁光纤面板表面，祛除污渍及油污后，再放入超声清洗器中用70％的乙醇溶液超声清洗10min，取出置于洁净的烘箱中烘干备用；

4)透明电极的制备

(1)将按上述配比配制的源溶液经超声雾化器雾化，要求其雾化量为0.5ml/s～0.75ml/s，液滴颗粒小于0.5μm，均匀分布在直径约为10cm的柱形空间内；

(2)雾化液滴在载气输运下经预热装置加热到70℃后，送至加热到成膜温度范围的光纤面板表面，发生高温热解反应成膜；

(3)采用多次喷涂，且单次喷涂时间不长于10s，通过控制每次喷涂的时间和喷涂次数控制透明电极的电阻；

5)退火处理

退火时，将温度由成膜温度降至330℃，降温速度控制为20℃/h；当温度从330℃降至室温时，降温速度控制为50℃/h。

2.如权利要求1所述的光纤面板表面制作透明电极的方法，其特征在于，所述成膜温度范围400℃＜T＜480℃内的最佳成膜温度为430℃。

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