TiO2 có thể tồn tại d−ới ba dạng hình tinh thể là rutile, anatase và brookite (ít gặp) và dạng vô định hình. Sự tồn tại của các dạng thù hình khác nhau này của màng mỏng TiO2 khiến cho tính chất quang học của màng phụ thuộc rất mạnh vào các điều kiện chế tạo.
Chiết suất của màng mỏng TiO2 có giá trị rất khác nhau tuỳ thuộc vào ph−ơng pháp và thông số công nghệ của quá trình lắng đọng (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Chiết suất (tại b−ớc sóng 550nm) của màng mỏng TiO2 lắng đọng bằng một số ph−ơng pháp [8]
Ph−ơng pháp lắng đọng Chiết suất tại 550nm
Ph−ơng pháp sol-gel 2,23ữ2,30
Ph−ơng pháp bay hơi nhiệt 2,18ữ2,31
Phún xạ cao tần (RF ) 2,49ữ2,53
Phún xạ magnetron phản ứng 2,42
Phún xạ chùm ion (IBS) 2,42ữ2,54
IAD (Ion Assisted Deposition) 2,34ữ2,51 Ph−ơng pháp lắng đọng hoá học từ pha hơi
có trợ giúp Plasma (PICVD )
2,44ữ2,48
Mạ ion (IP) 2,43ữ2,49
Nghiên cứu của Pulker [55] về màng mỏng TiO2 chế tạo bằng ph−ơng pháp bay hơi nhiệt phản ứng cho thấy: chiết suất của màng TiO2 phụ thuộc vào nhiệt độ đế, tốc độ bốc hơi, áp suất khí oxy trong buồng chân không và vật liệu bốc hơi. Sự phụ thuộc này đ−ợc biểu diễn bởi biểu thức (3.1).
n= 2,28 - 0,119. P +0,518.10-3 T + 0,11.10-3P. T +0,0107. R (3.1) trong đó: P là áp suất khí oxy trong buồng chân không [10-4Torr].
T là nhiệt độ đế [C0].
R là tốc độ lắng đọng màng [A0/giây].
Hệ số hấp thụ của màng mỏng TiO2 phụ thuộc vào điều kiện lắng đọng màng, mức độ hợp thức thành phần hoá học của màng, mật độ tạp chất trong màng, và hình thái bề mặt của màng. Theo [8] màng mỏng TiO2 cấu trúc vô định hình có hệ số hấp thụ nhỏ hơn 0.001 trong vùng phổ nhìn thấy. Ph−ơng pháp bay hơi nhiệt có thể chế
tạo màng mỏng TiO2 có hệ số hấp thụ khoảng 1.10-4. Ph−ơng pháp mạ ion có thể chế tạo màng TiO2 có hệ số hấp thụ khoảng 2.10-4. Ph−ơng pháp phún xạ chùm ion IBS cho phép nhận đ−ợc màng có hệ số hấp thụ khoảng 1.10-5. Ph−ơng pháp PICVD cho màng có hệ số hấp thụ nhỏ hơn 1,5.10-5. Các giá trị hệ số hấp thụ nhỏ d−ới 10-3 chỉ có thể xác định đ−ợc bằng ph−ơng pháp PTD (Photo Thermal Deflection), ph−ơng pháp Elipsometry hoặc Ph−ơng pháp ống dẫn sóng [8].
Chiết suất của màng mỏng quan hệ mật thiết với mật độ xếp chặt của màng. Quan hệ này đ−ợc mô tả bởi các công thức (1.5), (1.6). Bảng 3.2 liệt kê giá trị chiết suất và mật độ của màng mỏng TiO2 lắng đọng bằng một số ph−ơng pháp khác nhau.
Bảng 3.2. Mật độ t−ơng đối (ρr=ρfilm/ρanatase; ρanatase=3,84 gcm-3) của màng
TiO2 lắng đọng bằng các ph−ơng pháp khác nhau [8].
Ph−ơng pháp lắng đọng Mật độ t−ơng đối Mạ ion (IP) 0,95ữ1,02 Bay hơi nhiệt 0,75ữ0,90 Ph−ơng pháp lắng đọng
hoá học từ pha hơi có trợ giúp Plasma (PICVD )
0,8ữ1,0
Mật độ khối l−ợng (mật độ xếp chặt) của màng mỏng quyết định l−ợng hơi n−ớc hấp thụ trong màng mỏng. L−ợng hơi n−ớc hấp thụ nhiều hay ít ảnh h−ởng tới giá trị chiết suất tổng cộng của màng mỏng. Màng mỏng có mật độ khối l−ợng càng cao thì ảnh h−ởng nhiệt độ, độ ẩm môi tr−ờng tới chiết suất của nó càng nhỏ, tức là thông số quang học của màng càng ổn định.
ứng suất của màng mỏng TiO2 trên đế thuỷ tinh có giá trị rất khác nhau tuỳ thuộc vào ph−ơng pháp và điều kiện lắng đọng. Theo Bach [8] màng mỏng TiO2 lắng đọng bằng ph−ơng pháp IAD có thể có chiết suất kéo tới +3GPa, màng lắng đọng bằng ph−ơng pháp phún xạ RF có thể có ứng suất nén -5GPa, màng lắng đọng bằng ph−ơng pháp bay hơi nhiệt phản ứng có ứng suất kéo +300MPa. ứng suất của
màng mỏng TiO2 phụ thuộc vào chiều dày màng, vào mật độ khối l−ợng, vào hàm l−ợng tạp chất có trong màng.
Độ bám dính của màng mỏng TiO2 với đế có quan hệ với ứng suất của màng. Bach [8] cho biết độ bám dính tăng lên theo nhiệt độ đế trong quá trình lắng đọng, và theo năng l−ợng của các phần tử vật liệu lắng đọng. Độ bám dính màng mỏng-đế có thể đ−ợc cải thiện bởi một hoặc một số trong các cơ chế sau: tạo pha chuyển tiếp màng-đế; hình thành kiểu liên kết mới tại tiếp giáp màng-đế; làm giảm năng l−ợng tiếp giáp giữa hai vật liệu.