專利名稱：光纖面板表面制作透明電極的方法
技術領域：
本發明屬于透明導電薄膜在高新領域中的新應用，涉及一種在光纖面板表面制備透明電極的方法，特別涉及一種采用高溫熱解法將透明導電薄膜制備于微通道板選通X射線皮秒分幅相機的光纖面板表面用作透明電極的方法。
背景技術：
條紋相機是一套集光、機、電和計算機技術于一體的超高速攝影系統，是測量高速、超短發光現象的絕好設備。在核物理學、爆轟學、等離子體物理、電力放電以及燃燒化學等納秒量級微弱發光現象的研究中，有著廣泛的應用。在國外，從事條紋相機研究的機構主要是美國利弗莫爾實驗室、日本濱松光電器件株式會社。在國內，南京近代聲學國家重點實驗室研制了多種型號不同用途的條紋相機；中物院核化所和西安光機所聯合研制了MCP選通X射線皮秒分幅相機。目前這些相機的快門元件均采用微通道板(MCP)。雖然MCP快門可獲得很高的時間和空間分辨率和較小的圖象幾何畸變，而被廣泛應用，但仍會造成圖像的失真。中科院西安光學精密機械研究所研制的微通道板選通X射線皮秒分幅相機具有較小的圖像失真和較高的圖像分辨率。其原因是在MCP快門與CCD相機間加一光纖面板(FOP)，通過在FOP端面加載正向高電壓產生加速電場，使從電陰極表面逸出的光電子經MCP倍增放大后，在此高壓的作用下近貼聚焦到FOP表面的熒光屏上，并由CCD相機記錄。由于電場的加速，減小了電子到達熒光屏的時間，從而減小了內在電子的散射，因此減小了圖像的失真；FOP比玻璃具有更好的光學傳遞函數，因此將熒光物質制作于FOP表面作為熒光屏是圖像的失真小、分辨率高的另一重要原因。為了達到上述既要加載電壓又要透光目的，需要在FOP表面制作透明電極。目前均采用在FOP表面真空蒸鍍Al膜的方法制成透明電極。此電極存在以下缺點1)在FOP表面蒸鍍的Al膜與FOP的結合力欠佳，膜強度低，接觸電阻很大，在使用中易發生電極打火現象；2)金屬薄膜的透過率較低(一般只有30～40％)，圖像的清晰度不高；3)真空鍍膜的成本較高。
發明內容
根據上述現有技術存在的缺陷或不足，本發明旨在提供一種在光纖面板表面制作透明電極的方法。
采用高溫熱解工藝將透明導電薄膜制備于光纖面板表面作為透明電極應用于微通道板選通X射線皮秒分幅相機中，以達到消除在加載高電壓時電極打火、提高圖像清晰度、減小圖像失真、提高圖像分辨率的目的。
透明導電薄膜不僅電阻率低，而且薄膜材料與FOP襯底表面形成類似釉面的化學結合，具有優良的膜強度，用作微通道板選通X射線皮秒分幅相機的透明電極，可從根本上消除電極打火現象。透明導電薄膜的可見光透過率高(通常大于90％)，可大大提高圖像的清晰度。采用高溫熱解法制備透明導電薄膜所需設備及制備工藝相對簡單，所需原料價格低廉，制造成本遠遠低于真空鍍膜和其它鍍膜工藝，在良好的工藝條件控制下，所制薄膜不僅具備優良的光、電特性，而且薄膜的均勻性也可與真空鍍膜相媲美。
為了實現上述目的，本發明采取的技術方案是，采用高溫熱解法將透明導電薄膜制備于微通道板選通X射線皮秒分幅相機的光纖面板上，包括以下步驟1)確定光纖面板的溫度特性按照與金屬環電極封裝后的光纖面板的升溫特性曲線，考慮玻璃與金屬的熱膨脹系數的差異，確定成膜溫度范圍為400℃＜T＜480℃；2)原料配比在成膜溫度范圍內，確定兩種原料(NH4F、SnCl4·5H2O)的配比為F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％；3)光纖面板表面的清洗分別用蒸餾水和乙醇清潔光纖面板表面，祛除污漬及油污后，再放入超聲清洗器中用70％的乙醇溶液超聲清洗10min，取出置于潔凈的烘箱中烘干備用；4)透明電極的制備(1)將按上述配比配制的源溶液經超聲霧化器霧化，要求其霧化量為0.5ml/s～0.75ml/s，液滴顆粒小于0.5μm，均勻分布在直徑約為10cm的柱形空間內；(2)霧化液滴在載氣輸運下經預熱裝置加熱到70℃后，送至加熱到成膜溫度要求的光纖面板表面，發生高溫熱解反應成膜；(3)采用多次噴涂，且單次噴涂時間不長于10s，通過控制每次噴涂的時間和噴涂次數控制透明電極的電阻；5)退火處理退火時，由溫度由成膜溫度降至330℃，降溫速度控制為20℃/h；當溫度從330℃降至室溫時，降溫速度控制為50℃/h。
本發明的另一特點是，所述成膜溫度范圍400℃＜T＜480℃內的最佳成膜溫度為430℃。
本發明的光纖面板表面制作透明電極的方法，帶來了以下技術效果1.透明電極與FOP結合強度電極材料主要成分為SnO2，在高溫熱解反應過程中可與FOP表面的SiO2形成化學鍵，從而使薄膜鍵合于FOP表面。由于二者靠原子間作用力結合，其結合強度很大，遠遠高于Al膜電極。
2.透明電極穩定性測試透明導電薄膜中的Sn為穩定的+4價，在空氣中不會被氧化，并且不易與其它的化學物質反應，穩定性好。將光纖面板表面的透明電極分別浸泡在多種強酸強堿溶液中72小時，其性能均無變化。
3.透明電極的電阻當單次噴涂時間為5s時，透明電極的電阻隨噴涂次數的變化關系見表1，其最小方阻小于30Ω/□。采用本工藝可根據不同的電阻要求，通過控制每次的噴涂時間和噴涂次數，制備出各種電阻要求的透明電極。
1透明電極的電阻與噴涂次數的關系 4.透明電極的透過率分別測試單次噴涂時間為5s、噴涂5次所得透明電極的透過率隨波長的變化曲線(附圖3)。由曲線知，透明電極對可見光及紫外線具有良好的透過率，可見光到紫外范圍內，透過率平均高達90％以上。雖然在紫外區域內，透過率隨波長減小而迅速減小，但在λ＝320nm時仍大于70％。所以，無論在哪個波段透明電極的透過率均好于Al膜電極(最高透過率只有40％)。
5.透明電極的實驗測試將此透明電極應用于微通道板選通X射線皮秒分幅相機作為電陽極，通過實驗測試證實，這種透明電極不但消除了原Al膜電極的打火現象、提高了圖像清晰度，而且減小了圖像失真，提高了相機的分辨率。
6.透明電極的制備工藝簡單、造價低廉采用高溫熱解法制備透明電極的設備成本費用低，不需要真空鍍膜和其它鍍膜工藝必備的大型昂貴設備。原材料均為國內市場上的常規材料，且價格低廉。高溫熱解鍍膜工藝的成本遠遠低于其它工藝。
四
附圖1為透明電極的電阻率及透過率隨襯底溫度的變化曲線。其中電阻率開始時隨襯底溫度的升高而減小，在420℃～440℃之間達到最小值4×10-4Ω·cm，然后隨襯底溫度的繼續升高而增大。透過率隨襯底溫度的升高而增大，在溫度達425℃以后趨于一穩定值，約89％～91％。所以確定成膜的最佳溫度為430℃。
附圖2為原料配比對透明電極的電阻率及透過率的影響曲線，由圖知溶液的原料配比對薄膜的電阻率影響很大，隨著原料中F∶Sn配比的增大，電阻率明顯減小，當兩原料配比F∶Sn達到2.5wt％～3.0wt％時，電阻率達最小值，但很快又隨F∶Sn的增大而迅速增大。而透過率隨原料配比無明顯變化。因此確定原料中F、Sn兩組分的配比為2.5wt％～3.0wt％。
附圖3是透明電極的透過率隨波長的變化曲線圖。
五具體實施例方式
以下結合附圖和發明人依上述技術方案給出的實施例，對本發明作進一步的詳細說明。
采用高溫熱解法將透明導電薄膜制備于微通道板選通X射線皮秒分幅相機的光纖面板表面形成透明電極的制作方法，按以下步驟進行1)研究光纖面板的溫度特性將金屬環電極與光纖面板封裝在一起，考慮到玻璃與金屬的熱膨脹系數的差異，為了保證加熱過程中光纖面板既不破裂又不與金屬環電極脫離，而且能夠制備出高質量的薄膜，我們詳細研究了上述光纖面板的升溫特性曲線，同時，確定了合適的成膜溫度范圍為400℃＜T＜480℃。
2)確定成膜最佳溫度點在上述溫度范圍內，研究透明導電薄膜的電阻率、透過率與溫度的關系(附圖1)，確定最佳成膜溫度為430℃。
3)原料最佳配比溫度為430℃時，研究原料的配比對透明導電膜的電阻率、透過率的影響(附圖2)，確定兩種原料(NH4F、SnCl4·5H2O)的配比為F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％。
4)光纖面板表面的清洗分別用蒸餾水和乙醇清潔光纖面板表面，祛除污漬及油污后，再放入超聲清洗器中用70％的乙醇溶液超聲清洗10min，取出置于潔凈的烘箱中烘干備用。
5)透明電極的制備將按上述配比配制的源溶液經超聲霧化器霧化，要求其霧化量為0.5ml/s～0.75ml/s，液滴顆粒小于0.5μm，均勻分布在直徑約為10cm的柱形空間內。霧化液滴在載氣輸運下經預熱裝置加熱到70℃后，送至加熱到430℃的光纖面板表面，發生高溫熱解反應成膜。為了保證透明電極電阻率并防止光纖面板破裂，采用多次噴涂的方法，且單次噴涂時間不長于10s。通過控制每次噴涂的時間和噴涂次數可控制透明電極的電阻。
6)退火處理為了防止降溫時光纖面板由于內外溫度不均勻或因玻璃與金屬的熱膨脹系數不同而破裂。降溫時，由成膜溫度～330℃，控制降溫速度為20℃/h；330℃～室溫控制降溫速度為50℃/h。
本發明首次將透明導電薄膜制備于光纖面板表面形成透明電極，應用于微通道板選通X射線皮秒分幅相機中。這一改進旨在提高這種相機在核物理學、爆轟學、等離子體物理、電力放電以及燃燒化學等納秒量級微弱發光現象研究中的性能，尤其在核爆模擬中的可靠性和分辨率，消除Al電極在使用過程中的打火現象。此透明電極可普遍替代目前用在條紋相機、微光夜視儀等儀器中的Al膜電極。
實施例將制備好透明電極的光纖面板替換現有微通道板選通X射線皮秒分幅相機中Al膜電極的光纖面板，光纖面板透明電極上所制備熒光粉和安裝方式等均與Al膜電極的光纖面板相同。實驗表明，這種透明電極的光纖面板不但成功解決了原電極Al膜電極易出現的打火現象、提高了圖像清晰度，而且減小了圖像失真，提高了相機的分辨率。
權利要求
1.一種光纖面板表面制作透明電極的方法，其特征在于，采用高溫熱解法將透明導電薄膜制備于微通道板選通X射線皮秒分幅相機的光纖面板上，包括以下步驟1)確定光纖面板的溫度特性按照與金屬環電極封裝后的光纖面板的升溫特性曲線，考慮玻璃與金屬的熱膨脹系數的差異，確定成膜溫度范圍為400℃＜T＜480℃；2)原料配比在成膜溫度范圍內，確定兩種原料(NH4F、SnCl4·5H2O)的配比為F∶Sn＝2.5wt％～3.0wt％；3)光纖面板表面的清洗分別用蒸餾水和乙醇清潔光纖面板表面，祛除污漬及油污后，再放入超聲清洗器中用70％的乙醇溶液超聲清洗10min，取出置于潔凈的烘箱中烘干備用；4)透明電極的制備(1)將按上述配比配制的源溶液經超聲霧化器霧化，要求其霧化量為0.5ml/s～0.75ml/s，液滴顆粒小于0.5μm，均勻分布在直徑約為10cm的柱形空間內；(2)霧化液滴在載氣輸運下經預熱裝置加熱到70℃后，送至加熱到成膜溫度范圍的光纖面板表面，發生高溫熱解反應成膜；(3)采用多次噴涂，且單次噴涂時間不長于10s，通過控制每次噴涂的時間和噴涂次數控制透明電極的電阻；5)退火處理退火時，由溫度由成膜溫度降至330℃，降溫速度控制為20℃/h；當溫度從330℃降至室溫時，降溫速度控制為50℃/h。
2.如權利要求1所述的光纖面板表面制作透明電極的方法，其特征在于，所述成膜溫度范圍400℃＜T＜480℃內的最佳成膜溫度為430℃。
全文摘要
本發明公開了采用高溫熱解法將透明導電薄膜制備于微通道板選通X射線皮秒分幅相機的光纖面板上用作透明電極的方法。與其它鍍膜方法相比，本方法具有制備工藝簡單，生產設備及原材料價格低廉的優點。所制透明電極與光纖面板的結合強度大；耐酸堿腐蝕，穩定性好；薄膜方阻小于30Ω/□、平均透過率高于90％。通過實驗測試證明了透明電極不但成功解決了電極打火現象、提高了圖像的清晰度，而且減小了圖像失真，提高了相機的分辨率。這種透明電極可普遍替代現有的條紋相機、微光夜視儀等儀器中的Al膜透明電極。
文檔編號H01J9/02GK1514460SQ0313442
公開日2004年7月21日 申請日期2003年7月23日 優先權日2003年7月23日
發明者施衛, 侯磊, 劉秀琴, 趙衛, 施 衛 申請人:西安理工大學