Sc2O3/ZrO2共掺杂TiO2复合薄膜的制备及其在光学器件防雾性能中的突破性应用

为解决光学器件表面结雾导致透光率下降的问题，研究人员通过粉末磁控溅射（PMS）技术制备了Sc2O3/ZrO2共掺杂TiO2复合薄膜，显著提升了超亲水性（WCA<5°）和长期稳定性。最优配比（0.5%Sc2O3+0.5%ZrO2）样品实现98.5%透光率，为光学镜头等应用提供了高性能防雾解决方案。

　　

在眼镜、汽车挡风玻璃等日常场景中，玻璃表面的结雾问题长期困扰着使用者——水雾不仅降低透光率，还可能引发安全隐患。尽管现有防雾涂层技术（如超疏水处理或加热法）已取得进展，但在光催化效率、表面粗糙度控制及环境稳定性等方面仍存在瓶颈。尤其对于需要持续暴露在潮湿环境中的光学器件（如医疗内窥镜、航空航天视窗），开发兼具高透光性和持久防雾功能的涂层成为当务之急。

马来亚大学（Universiti Malaya）的研究团队创新性地采用粉末磁控溅射（PMS）技术，在石英玻璃基底上制备了Sc₂O₃/ZrO₂共掺杂TiO₂复合薄膜。通过调控掺杂比例（<1%），系统研究了材料对防雾性能的影响机制。研究团队首先对样品进行蒸汽测试和接触角（WCA）测量，筛选出性能最优的配方后，进一步通过扫描电镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和紫外-可见光谱（UV-VIS）等分析手段，揭示了材料微观结构与性能的关联性。

关键实验方法
研究选用熔融石英玻璃（70 mm×25 mm）为基底，经丙酮和去离子水超声清洗后，采用PMS技术沉积不同比例的Sc₂O₃/ZrO₂-TiO₂薄膜。通过蒸汽测试评估即时防雾效果，结合WCA量化亲水性；选取典型样品进行加速老化实验后，采用SEM观察表面形貌，AFM分析粗糙度，UV-VIS测定透光率变化，并通过附着力测试验证涂层耐久性。

研究结果

1. 蒸汽测试：0.5%Sc₂O₃+0.5%ZrO₂共掺杂样品（A1）在60秒内完全抑制结雾，水滴呈现快速铺展特性，而纯TiO₂和未处理玻璃则出现明显雾滴。
2. 光学性能：最优样品透光率达98.5%，老化后仅衰减3%，显著优于传统涂层（通常衰减>10%）。
3. 表面特性：AFM显示掺杂样品表面纳米级粗糙度（Ra<10 nm），SEM证实均匀的孔隙结构促进水分子快速渗透。
4. 耐久性：所有掺杂样品在加速老化后仍保持WCA<10°，附着力测试显示涂层与基底结合强度超过5B级标准。

结论与意义
该研究证实Sc-Zr共掺杂可协同提升TiO₂的光催化活性和表面能，其机制在于：Sc³⁺拓宽了TiO₂的紫外响应范围，Zr⁴⁺则稳定了晶格结构。这种"双掺杂"策略不仅实现了无需紫外激发的超亲水性（WCA≈0°），还解决了传统TiO₂涂层在弱光环境下失效的难题。研究成果为航空航天镜头、医用防护镜等高端光学器件提供了兼具高透光性（>95%）、自清洁功能和十年级耐久性的涂层方案，相关技术已通过UM Living Labs的SDG@UM项目进入产业化验证阶段。