Пою перед тобой в восторге похвалу -  не камням дорогим, не злату,

но стеклу...


 

М.В.Ломоносов

 

Общество с ограниченной ответственностью

"Украинский научно-исследовательский институт стекла"

(ООО "УкрНИИСтекла")


 

 

СТЕКЛО С ТОКОПРОВОДЯЩИМИ ПОКРЫТИЯМИ


Стекло в твердом состоянии не проводит электрического тока. Объемная проводимость стекла определяется химическим составом и температурой так, при комнатной температуре у стекол разных составов она составляет 10-13 – 10-16 ом-1 см-1. Поверхностная проводимость несколько выше и только изменяется в зависимости от химического состава стекла, температуры и влажности окружающей среды в широких пределах. Строительная техника нуждается в твердых прозрачных материалах, обладающих высокой электропроводностью.


Повысить удельную объемную электропроводность стекла, не изменяя его химического состава, не представляется возможным. Поэтому наиболее приемлемым является способ нанесения на поверхность стекла тонких прозрачных слоев, проводящих электрический ток. Для этого на стекло наносят металлические покрытия или восстанавливают ионы металлов в поверхностном слое стекла. Однако эти слои поглощают значительное количество света и не могут обеспечить высокую проводимость электрического тока. Только применение прозрачных полупроводниковых пленок оксидов металлов дало возможность получать прозрачные стекла со стабильной электропроводностью, которую можно изменять в широких пределах. Токопроводящее стекло получают нанося на исходное стекло.

Наиболее широкое применение в качестве токопроводящих нашли пленки оксида олова благодаря тому, что они  обладают высокой прозрачностью, механической прочностью и химической устойчивостью. Полученные методом пульверизации пленки оксида олова имеют кристаллическую структуру и сохраняют многие присущие этому химическому элементу свойства. Подобно многим другим соединениям полупроводникового типа, SnO2 способен изменять свои электрические и оптические свойства при введении в ее состав примесей, которые вызывают нарушение строгой периодичности составляющих ее атомов.

Пленки оксида олова могут быть получены в широком диапазоне сопротивлений – от 105 до 10 ом/см2. Электрические свойства их регулируются введением модифицирующих добавок. Так, для получения хорошо проводящих пленок в состав оксида олова вводят сурьму, азот в сочетании с фтором и другие примеси. В небольших пределах удельное сопротивление можно регулировать изменением толщины слоя, которая зависит от продолжительности обработки стекла раствором; с увеличением толщины сопротивление падает

Обычно пленка сохраняет присущие ей свойства до определенной толщины, выше которой она становится рыхлой, проводимость ее практически не изменяется, прозрачность резко падает, а химическая устойчивость и механическая прочность снижаются. Поэтому получение и применение пленок толщиною более 1-1,5 ме нежелательно.

Добавка сурьмы в исходные пленкообразующие растворы хлорного олова активно влияет на свойства пленок оксида олова. Особенно чувствительны к примесям сурьмы электрические свойства пленок: небольшие количества сурьмы приводят к резкому падению удельного сопротивления RЭSпокрытий. Минимальные значения удельного сопротивления получены при добавке Sb около 1%. Дальнейшее увеличение добавки приводит к плавному нарастанию RЭS


Пленка с небольшими добавками сурьмы состава SnO2(Sb) является полупроводником электронного типа. Концентрация носителей тока (электронов) при введении в нее добавки сурьмы возрастает от величины N = 1 1019 до N = 1 1021 см3.

Светопропускание пленок, содержащих в своем составе малые количества сурьмы, высокое – 85-90%. При этом они не имеют избирательного поглощения в видимой области спектра.


Оксид олова, как без добавок, так и модифицированный рассмотренными примесями, относится к классу полупроводников электронного типа, т.е. носителями электрического тока в ней, так же как и в металлах, являются электроны.

Величину проводимости пленки определяют главным образом концентрации электронов проводимости (N = 1 1019 -  1 1021). Вследствие электронного характера проводимости пленки прохождение электрического тока через нее не связано с переносом вещества, поэтому пленка устойчива к длительному воздействию как переменного, так и постоянного тока.

Оксидно-оловянная пленка устойчива при приложении напряжения до 5 кВ и плотности до 12 а/мм2. Налагаемая мощность достигает 20 вт/см2. В указанной области напряжений электропроводность пленки изменяется по закону Ома.

Светопропускание пленок состава SnO2 (NF) высокое и на 3-4% превышает прозрачность пленок SnO2 (Sb). Характер кривых спектрального пропускания для обоих составов аналогичен и, по-видимому, в видимой области спектра определяется химической природой основного вещества и их поглощение связано с проводимостью. Для определения коэффициента поглощения можно воспользоваться следующей формулой:

a = sl /n2 c,                                    (1)

где s -  электропроводность; n – показатель преломления; l - длина световой волны; с – скорость света.

         Для пленок с значением  s = 10-2 ом-1 см-1 при n = 1.92 для l=500 нм коэффициент поглощения a=0,003. Отсутствие избирательного поглощения позволяет распространять вычисленные значения на всю видимую область. Эти величины примерно на три порядка меньше коэффициента поглощения металлов, электропроводность которых на столько же превышает электропроводность пленок. На основании полученного значения было определено, что пленка толщиной 0,5 мк  в области полученного значения было определено, что пленка толщиной 0,5 мк в области спектра l=500 нм имеет светопропускание около 99% и соответственно поглощение 1%. Удовлетворительное совпадение данных опыта с теорией наблюдается только для сравнительно тонких пленок, у более толстых ( > 1мк) истинное светопропускание значительно меньше теоретически вычисленного. В толстых пленках дополнительные потери света, вероятно связаны с рассеянием.

         Пленки оксида олова имеют повышенный по сравнению со стеклом показатель преломления и поэтому заметно увеличивают интенсивность отраженного света. Максимальное отражение для слоев с большим показателем преломления (n=1.94) составляет 18%. В результате светопропускание стекла соответственно снижается.

         Пленки SnO2 прочно закрепляются на поверхности стекла, наиболее прочно  - на высококремнеземистых стеклах. Прочность закрепления (адгезия) пленки на стекле зависит от температуры синтеза: чем выше температура, тем выше адгезия. В процессе синтеза при высокой температуре образовавшийся оксид олова SnO2 частично взаимодействует со стеклом.

         Исследования, проведенные методом инфракрасной спектроскопии, показали изменения структуры поверхностного слоя стекла при нанесении на него оксидно-оловянного покрытия, что свидетельствует об интенсивном взаимодействии синтезируемого вещества с подложкой.

         Следует предположить наличие непрерывного перехода от структуры стекла к структуре пленки, который обеспечивает высокую адгезию пленки к стеклу (220 кГ/мм2) не только при комнатной температуре, но и при нагревании до высоких температур (550-700°С), а также при охлаждении до - 60°С, несмотря на значительную разницу коэффициентов линейного расширения стекла (9,8 10-6 1/град) и SnO2 (4.5 10-6 1/град).

Тонкие пленки аналогичны по своей структуре природному материалу, следовательно, от них можно ожидать высоких показателей механической прочности. Примеси, нарушая периодичность кристаллической решетки, приводят к изменению свойств материала. Очевидно, что прочностные свойства, и в том числе стойкость при полировании, являясь структурочувствительными, будут зависеть от структурных изменений в кристаллической решетке оксида олова. Однако малые добавки, вводимые для повышения электропроводности, практически не изменяют прочности пленок. Значительную стойкость при полировании показали токопроводящие слои  SnO2 (Sb) и SnO2 (NF). Пленки SnO2 (Sb) с большим содержанием примесей оказались менее стойкими. Существует прямая зависимость между стойкостью пленок к полированию и содержанием в них примеси сурьмы: добавка сурьмы до 15% снижает устойчивость пленок и приравнивает их к стеклу.

Оксидно-оловянные пленки при определенных условиях могут наноситься на стекло также и для повышения его стойкости к истиранию (абразивостойкости).

Пленки оксида олова являются высокоустойчивым материалом по отношению к атмосферному воздействию: при многолетнем хранении в нормальных условиях токопроводящие слои остаются неизменными. Не подвергались каким-либо изменениям пленки и при хранении в условиях 98%-ной влажности при комнатной температуре и при длительном воздействии кипящей воды.

По отношению к агрессивным средам, растворам кислот, солей и щелочей пленки также имеют более высокую стойкость, чем стекло подложки. Пленку можно разрушить плавиковой кислотой или кипячением в растворах едких щелочей.                           

 


Сайт создан на Setup.ru Создать сайт бесплатно