Thin-film coatings efficiently (to 51 %) scattering light in the visible spectrum were obtained from particles of titanium dioxide by roll-to-roll technology on the rotating cylinder with glass substrate which separates the Langmuir–Blodjett trough into two compartmens with linear barriers.На стеклянной поверхности с помощью "рулонных" технологий – за счет согласованного движения вращающегося цилиндра разделяющего ванну Ленгмюра–Блоджетт на два отсека и линейных барьеров, получены тонкопленочные покрытия из частиц диоксида титана, эффективно (до 51 %) рассеивающие свет в видимой области спектра

A. SALAMIANSKI E.

V. AGABEKOV E.

V. BEZRUCHENKO S.

А. СОЛОМЯНСКИЙ Е.

В. АГАБЕКОВ Е.

В. БЕЗРУЧЕНКО С.

Russian

A. E. SALAMIANSKI

V. S. BEZRUCHENKO

V. E. AGABEKOV

А. Е. СОЛОМЯНСКИЙ

В. С. БЕЗРУЧЕНКО

В. Е. АГАБЕКОВ

Reports of the National Academy of Sciences of Belarus

70Доклады Национальной академии наук Беларуси2014 сентябрь–октябрь Том 58 № 5удк 546.824-31:539.216.2А. е. солоМянскиЙ, В. с. Безрученко, академик В. е. АгАБекоВ,ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТОРАССЕИВАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНАинститут химии новых материалов нАн Беларуси, Минск Поступило 06.08.2014Создание и использование тонкопленочных покрытий, селективно рассеивающих видимое излучение, является актуальной задачей современного материаловедения, ее решение позволит улучшить качество устройств отображения информации и систем светодиодного освещения [1; 2] . Одним из способов формирования таких покрытий на твердых подложках и гибкой полимерной основе является метод Ленгмюра–Блоджетт (ЛБ) [3; 4] . Композиционные ленгмюровские слои амфифильных соединений с неорганическими частицами представляют собой плотноупакован-ные структуры, сформированные на водной поверхности, которые после их переноса на твердую подложку методом ЛБ образуют бездефектные моно- и мультислойные пленки [3–5] . Ограниче-ния метода связаны с конструкционными особенностями коммерческих установок ЛБ, не позво-ляющими выделять пленки на площадях, превышающих несколько десятков см2 . Для устране-ния данного недостатка разработано устройство, позволяющее формировать покрытия с помо-щью «рулонных» технологий [5; 6] .Цель работы – сформировать покрытия из частиц диоксида титана (TiO2) и исследовать их оптические свойства .Выбор диоксида титана в качестве материала для формирования покрытий обусловлен его свойствами – эффективно рассеивать свет во всем видимом спектральном диапазоне при разме-ре частиц 0,15–0,2 мкм [7] .Экспериментальная часть. Получение слоев TiO2 (размер частиц ~150 нм, Aldrich) с помо-щью «рулонных» технологий осуществляли на установке LT 201 [5] следующим образом: на вра-щающийся цилиндр – барьер (ВБ), который одновременно служит для разделения ванны ЛБ на два отсека, закрепляли стеклянную подложку, площадью 6 см2, фиксировали его между линей-но перемещающимися барьерами и заполняли рабочий объем ванны дистиллированной водой . Затем на ее поверхность в отсеки слева (отсек А) и справа (отсек Б) от ВБ наносили пипет-доза-тором по 100 мкл суспензии частиц TiO2 в хлороформе . Затем ленгмюровские слои TiO2 сжима-ли при помощи линейных барьеров . При достижении поверхностного давления ~30 мН/м авто-матически запускался ВБ . В процессе вращения ВБ происходило формирование покрытия TiO2 на стекле, при этом датчики поверхностного натяжения контролировали поверхностное давле-ние, которое поддерживалось постоянными за счет сжатия ленгмюровских слоев TiO2 линейны-ми барьерами при увеличении времени формирования покрытия [6] . Количество оборотов ВБ: 5, 10 и 25 при скорости его вращения 0,3 оборота в минуту . Направление движения ВБ – против часовой стрелки . Скорость сжатия ленгмюровского слоя TiO2 составляла 1 мм/с . Монослой ЛБ формируется за 0,5 оборота ВБ . Для получения стабильной суспензии частиц TiO2 в хлороформе использовали стеариновую кислоту (СК) и поливинилкарбазол (ПВК) с Mw ~ 1050 кДа . Массовое соотношение компонентов в ней 1 : 1 : 0,5 для ПВК, СК и TiO2 соответственно . Концентрации ПВК и СК в хлороформе составляли ~0,5 мг/мл . Изотерму сжатия ленгмюровского слоя TiO2 регистрировали при скорости движения линейных барьеров 0,3 мм/с и температуре субфазы 20 °С, используя установку LT 201 [5] .71Морфологию сформированных покрытий исследовали методом атомно-силовой микроско-пии (АСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Nanoscope IIID (Veeco, США) . Условия ска-нирования: скорость – 3–5 Гц; кантилевер из нитрида кремния с константой жесткости 0,12 Н/м . Плотность информации составляла 512 × 512 точек . Полученные АСМ изображения обрабатыва-ли, используя программное обеспечение «Nanoscope 5 .31r1» .Спектры пропускания и отражения образцов получали на спектрофотометре MayaPro2000 (Ocean Optics, США) в диапазоне от 300 до 700 нм .Для оценки эффективности светорассеяния в спектральном диапазоне (400–700 нм) исполь-зовали интегральный параметр S. В случае отсутствия поглощения света в видимом диапазоне он характеризует процент световых потерь, связанных с рассеянием, а также отражением света и определяется как [2]  %100)(/)(121210 ×−= ∫∫lllldxxfdxxfS  , где f(x) и f(x0) – спектры пропускания исследуемого образца и немодифицированного стекла соответственно, а l1 = 400 нм и l2 = 700 нм – длины волн, ограничивающие видимый диапазон спектра .Результаты и их обсуждение. Формирование мультислойной пленки ЛБ частиц TiO2 из обо-их отсеков возможно только при поверхностном давлении свыше 27 мН/м, когда их ленгмюров-ские слои находятся в фазовом состоянии «твердая» пленка (рис . 1) . О переносе частиц TiO2 на стекло из обоих отсеков при формировании мультислоя ЛБ свидетельствует изменение поверх-ностных давлений в отсеках (рис . 2), которое обусловлено, с одной стороны, их расходованием за счет переноса на подложку, и, с другой стороны, поддержанием поверхностного давления посто-янным ~30 мН/м при сжатии ленгмюровских слоев TiO2 линейными барьерами .Рис . 1 . Изотерма сжатия ленгмюровского слоя частиц TiO2Рис . 2 . Изменение поверхностных давлений в процессе переноса частиц TiO2 на стеклянную подложку из двух отсеков (А и Б)λ1λ1λ1λ2 272Суспензия TiO2 в хлороформе поглощает свет в УФ области спектра (рис . 3), вследствие чего светопотери в видимой области спектров пропускания слоев из ТiO2 обусловлены его рассеяни-ем и отражением [2] . Для покрытия из TiO2, содержащего 10 слоев, параметр S составляет 26 % (рис . 4, а, кривая 2) . При увеличении количества слоев рассеивание света возрастает, S равно 39 (рис . 4, а, кривая 3) и 51 % (рис . 4, а, кривая 4) для покрытий состоящих из 20 и 50 слоев TiO2 со-ответственно . Отраженный образцами свет составляет не более 13 %, независимо от количества слоев TiO2 (рис . 4, б) . Рассеяние света покрытиями TiO2 связано с его дифракцией на агрегатах частиц TiO2, размеры которых ~200–500 нм (рис . 5) сопоставимы с длинами волн падающего из-лучения .Рис . 3 . Спектр поглощения суспензии частиц TiO2 в хлороформеРис . 4 . Спектры пропускания (а) и отражения (б) пленок TiO2 при числе слоев: 1 – 0 (немодифицированная сте-клянная подложка), 2 – 10, 3 – 20, 4 – 50Рис . 5 . АСМ изображение покрытия TiO2, состоящего из 50 слоевЗаключение. Методом ЛБ на стеклянной поверхности сформированы покрытия из частиц TiO2, рассеивающих свет в видимой области спектра . Показано, что эффективность светорассея-ния зависит от количества слоев TiO2 в пленке и при 50 слоях достигает 51 % . Полученные мате-риалы могут быть использованы в устройствах отображения информации и системах светодиод-ного освещения . Литература1 . Park M. S., Kon J. K. // Langmuir . 2005 . Vol . 21 . P . 11404–11408 .2 . куликовская В. и., Муравский А. А., Агабеков В. е. // ДАН . 2011 . № 6 . С . 72–76 .3 . склизкова В. П., гайнутдинов р. В., толстихина А. л. и др . // Поверхность . Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования . 2013 . № 9 . С . 5–12 .4 . Murzina T. V., Khomutov G. B., Nikulin A. A. et al . // J . Optical Society of America B . 2000 . Vol . 17, Iss . 1 . P . 63–67 .5 . Устройство для получения на твердой поверхности моно- или мультислойных пленок амфифильных соедине-ний: Патент РБ № 15411 / Г . К . Жавнерко, В . Е . Агабеков, А . Е . Соломянский и др . Опубл . 27 .10 .2011 .6 . соломянский А. е., Жавнерко г. к., каратай н. В. и др . // Материалы, технологии, инструменты . 2014 . Т . 19, № 2 . С . 23–26 .7 . Dunlop P. S. M., Byrne J. A., Manga N., Eggins B. R. // J . Photochemistry and Photobiology A: Chemistry . 2002 . Vol . 148 . P . 365–374 . A. е. SALAMIANSKI, V. S. BEZRUCHENKO, V. е. AGABEKOVsolasy@mail .ruFORMATION AND OPTICAL PROPERTIES OF LIGHT SCATTERING COATINGS  FROM PARTICLES OF TITANIUM DIOXIDESummaryThin-film coatings efficiently (to 51 %) scattering light in the visible spectrum were obtained from particles of titanium dioxide by roll-to-roll technology on the rotating cylinder with glass substrate which separates the Langmuir–Blodjett trough into two compartmens with linear barriers .

ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТОРАССЕИВАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА

https://doklady.belnauka.by/jour/article/download/271/273

ФОРМИРОВАНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТОРАССЕИВАЮЩИХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Reports of the National Academy of Sciences of Belarus