專利名稱：光纖面板表面制作透明電極的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于透明導(dǎo)電薄膜在高新領(lǐng)域中的新應(yīng)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(dǎo)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(shù)：
條紋相機是一套集光、機、電和計算機技術(shù)于一體的超高速攝影系統(tǒng)，是測量高速、超短發(fā)光現(xiàn)象的絕好設(shè)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(fā)光現(xiàn)象的研究中，有著廣泛的應(yīng)用。在國外，從事條紋相機研究的機構(gòu)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(nèi)，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(lián)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(yīng)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(chǎn)生加速電場，使從電陰極表面逸出的光電子經(jīng)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(nèi)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(shù)，因此將熒光物質(zhì)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(jié)合力欠佳，膜強度低，接觸電阻很大，在使用中易發(fā)生電極打火現(xiàn)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(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)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(dǎo)電薄膜制備于光纖面板表面作為透明電極應(yīng)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(dǎo)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(jié)合，具有優(yōu)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(xiàn)象。透明導(dǎo)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(dǎo)電薄膜所需設(shè)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(yōu)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(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，采用高溫熱解法將透明導(dǎo)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(huán)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(shù)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(nèi)，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(jīng)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(nèi)；(2)霧化液滴在載氣輸運下經(jīng)預(yù)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(fā)生高溫熱解反應(yīng)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(shù)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(fā)明的另一特點是，所述成膜溫度范圍400℃＜T＜480℃內(nèi)的最佳成膜溫度為430℃。
本發(fā)明的光纖面板表面制作透明電極的方法，帶來了以下技術(shù)效果1.透明電極與FOP結(jié)合強度電極材料主要成分為SnO2，在高溫熱解反應(yīng)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(jié)合，其結(jié)合強度很大，遠遠高于Al膜電極。
2.透明電極穩(wěn)定性測試透明導(dǎo)電薄膜中的Sn為穩(wěn)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(zhì)反應(yīng)，穩(wěn)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(shù)的變化關(guān)系見表1，其最小方阻小于30Ω/□。采用本工藝可根據(jù)不同的電阻要求，通過控制每次的噴涂時間和噴涂次數(shù)，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(shù)的關(guān)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(nèi)，透過率平均高達90％以上。雖然在紫外區(qū)域內(nèi)，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(yīng)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(xiàn)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(shè)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(shè)備。原材料均為國內(nèi)市場上的常規(guī)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(xù)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(wěn)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(jié)合附圖和發(fā)明人依上述技術(shù)方案給出的實施例，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
采用高溫熱解法將透明導(dǎo)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(huán)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(shù)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(huán)電極脫離，而且能夠制備出高質(zhì)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(nèi)，研究透明導(dǎo)電薄膜的電阻率、透過率與溫度的關(guān)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(dǎo)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(jīng)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(nèi)。霧化液滴在載氣輸運下經(jīng)預(yù)熱裝置加熱到70℃后，送至加熱到430℃的光纖面板表面，發(fā)生高溫熱解反應(yīng)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(shù)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(nèi)外溫度不均勻或因玻璃與金屬的熱膨脹系數(shù)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(fā)明首次將透明導(dǎo)電薄膜制備于光纖面板表面形成透明電極，應(yīng)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(fā)光現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的打火現(xiàn)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(quán)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(dǎo)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(huán)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(shù)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(nèi)，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(jīng)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(nèi)；(2)霧化液滴在載氣輸運下經(jīng)預(yù)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(fā)生高溫熱解反應(yīng)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(shù)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(quán)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(nèi)的最佳成膜溫度為430℃。
全文摘要
本發(fā)明公開了采用高溫熱解法將透明導(dǎo)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(chǎn)設(shè)備及原材料價格低廉的優(yōu)點。所制透明電極與光纖面板的結(jié)合強度大；耐酸堿腐蝕，穩(wěn)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(xiàn)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(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2003年7月23日
發(fā)明者施衛(wèi), 侯磊, 劉秀琴, 趙衛(wèi), 施 衛(wèi) 申請人:西安理工大學