高温太阳能选择性吸收涂层中的红外反射层常用银（Ag）薄膜，因其红外反射率可达98%以上。但纯Ag熔点较低，超过400℃时容易发生团聚，导致反射性能下降。费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文采用磁控溅射法制备不同Ta掺杂量的AgTa薄膜，系统研究了Ta含量对薄膜反射光谱、晶体结构、表面形貌和微观结构的影响。结果表明，Ta的引入能抑制Ag的岛状生长，细化晶粒，且Ta以第二相形式偏聚于晶界处，起到钉扎晶界、提高热稳定性的作用。当Ta原子比为2.40%时，AgTa薄膜经600℃真空退火10 h后，红外反射率仍保持在95%以上，表面完整，未出现衬底特征峰，展现出比纯Ag薄膜更优越的高温稳定性。

样品制备与表征方法

不同原子比AgTa薄膜溅射工艺参数

采用多靶磁控溅射系统，在室温下将Ag（99.99%）和Ta（99.99%）靶材共溅射沉积于石英和Si(100)衬底上。基底真空度低于1×10⁻⁴ Pa，溅射气压为0.2 Pa。Ag靶功率固定为50 W，通过调节Ta靶功率（5~18 W）获得不同Ta掺杂量的薄膜，溅射时间13 min，膜厚约100 nm。Ta原子比由EDS测定，分别为0、0.78%、1.14%、2.40%、2.97%、3.17%。退火处理在管式炉中进行，真空度低于5×10⁻⁴ Pa，温度升至550℃或600℃后保温10 h，再缓慢冷却。

反射光谱由Lambda950（300~2500 nm）和傅里叶变换红外光谱仪（2.5~20.0 μm）测量。光学常数通过椭偏仪结合Drude和洛伦兹振子模型拟合得到。XRD采用Cu Kα辐射、掠入射角1°。表面形貌由SEM和AFM观察，微观结构由STEM、HAADF-STEM及选区衍射（SAED）分析，元素分布通过EDS面扫获取。

Ta掺杂量对反射率的影响

（a）2.5~20.0 µm范围反射率；（b）300~2500 nm范围反射率

不同Ta原子比的AgTa薄膜在2.5~20.0 μm红外波段的反射光谱显示，随着Ta含量增加，反射率呈单调下降趋势。当Ta原子比达到2.40%时，红外反射率仍高于95%；继续增加至2.97%和3.17%后，反射率降至95%以下。在500~2500 nm近红外波段，变化趋势类似。这表明Ta的掺杂对Ag的红外反射性能有负面影响，但在较低掺杂量（≤2.40%）时影响可控。

不同AgTa薄膜的折射率（n）和消光系数（k）

光学常数拟合结果表明，随Ta含量升高，折射率n逐渐增大，而消光系数k基本保持不变。金属材料的反射率主要由k决定，在k变化不大的条件下，n增大导致反射率略有降低。因此，在保证反射率不低于95%的前提下，Ta原子比宜控制在2.40%以内。

Ta掺杂对表面形貌的影响

不同原子比AgTa薄膜的微观形貌

SEM图像显示，纯Ag薄膜表面颗粒尺寸分布不均，呈现明显的岛状结构，平均粒径约61.9 nm。随Ta掺杂量增加，颗粒尺寸逐渐减小且分布趋于均匀；Ta原子比达到2.40%后，平均粒径降至约35 nm，粒径分布更为一致。AFM形貌也证实了上述变化，同时表面粗糙度变化不大，可排除粗糙度对红外反射性能的明显影响。说明Ta的加入抑制了Ag薄膜的岛状生长和不规则长大，增强了薄膜的连续性。

Ta掺杂对相结构的影响

不同AgTa薄膜的的XRD图谱及估算的平均粒径尺寸

XRD图谱显示所有样品均在2θ≈38.1°处出现Ag(111)衍射峰。纯Ag薄膜的(111)峰强度最高，表现出典型的择优取向。随着Ta含量增加，(111)和(200)峰强度明显下降，且下降幅度在Ta含量超过2.40%后趋于饱和。XRD图谱中未观察到任何Ta或Ta合金的衍射峰，表明Ta含量较低且可能未形成独立晶相。利用谢乐公式估算的平均晶粒尺寸，从纯Ag的约62 nm减小到Ta掺杂后的约35 nm，与SEM结果吻合。这说明Ta有效地抑制了Ag晶粒的成核与长大。

Ta掺杂对微观结构的影响

不同AgTa薄膜表面的STEM高分辨图像和选区衍射图谱

STEM高分辨图像和选区衍射图谱显示，纯Ag和AgTa薄膜均呈现多晶Ag相，对应的(111)晶面间距约为0.233 nm，掺杂前后无明显变化，说明Ta并未进入Ag晶格形成置换或间隙固溶体。

不同AgTa薄膜的HAADF-STEM图像和元素映射后元素Ag和Ta的空间分布

结合HAADF-STEM图像及Ag、Ta元素的空间分布图，可以发现Ta在空间上并非均匀分布，而是偏聚于Ag晶界区域。由于HAADF图像中原子序数越高亮度越高，Ta（Z=73）比Ag（Z=47）更亮，因此高亮区域对应Ta富集区。这些Ta富集区位于晶界处，起到钉扎晶界、阻碍晶界迁移的作用，从而抑制Ag晶粒长大。同时，Ta富集区也可作为异质形核的优先位置，降低形核能垒，促进更多、更细小的Ag晶粒形成。这两方面共同使得Ag晶粒细化，微结构稳定性提高。

高温真空热稳定性测试

Ag和AgTa（2.40%）薄膜在退火前后的反射光谱

选取纯Ag和Ta原子比为2.40%的AgTa薄膜，在550℃和600℃真空退火10 h，对比退火前后的红外反射光谱。纯Ag薄膜在550℃退火后，红外反射率出现较大幅度下降；在600℃退火后，反射率进一步降低，并且在8.5 μm附近出现SiO₂衬底的红外特征峰，表明Ag在高温下发生挥发或团聚，导致膜层减薄，衬底信号暴露。而AgTa薄膜在550℃退火后，中短红外波段反射率略有上升，远红外波段几乎不变；在600℃退火后，中短红外波段反射率变化很小，远红外波段略有下降，但总体仍保持较高水平，且未出现衬底特征峰。

Ag和AgTa（2.40%）薄膜在退火前后的光学显微镜照片

光学显微镜观察也证实了上述结果。纯Ag薄膜在600℃退火后表面出现大量黑色损坏区域，推测为Ag挥发或硫化所致；而AgTa薄膜表面依然平整光滑，无可见损伤。这些结果表明，Ta掺杂显著提高了Ag薄膜在高温下的抗团聚和抗挥发能力。

本文通过磁控溅射制备了不同Ta含量的AgTa薄膜。Ta的引入不改变Ag的面心立方结构，也不进入Ag晶格，而是以第二相形式偏聚于晶界处，抑制Ag晶粒长大并细化晶粒，从而提高了薄膜的微结构热稳定性。综合考虑光学性能和热稳定性，Ta原子比控制在2.40%时效果最佳：该薄膜在600℃真空退火10 h后，红外反射率仍超过95%，表面完整无损，明显优于纯Ag薄膜。该研究为发展更高温太阳能选择性吸收涂层中的红外反射层提供了一种可行的微合金化思路。未来随着太阳能热发电工作温度进一步提升，仍需探索新的掺杂策略或复合结构，以突破当前的热稳定性上限。

费曼仪器（Flexfilm）全光谱椭偏

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原文参考：《AgTa红外反射薄膜的稳定性研究》