薄膜材料范文

薄膜材料范文薄膜材料范文 薄膜材料 1 金属薄膜 金属薄膜具有反射率高 截止带宽 中性好 偏振效 应小的特点 复折射率n ik n折射率 k消光系数 垂直入射时 R 1 n ik 1 n ik 2 1 n 2 k2 1 n 2 k2 倾斜入射时 下面介绍几种最常用的金属膜 特性 1 Al 唯一从紫外 0 2mm 到红外 30mm 具有很高反射率的材 料 在大约波长0 85mm处反射率出现一极小值 其反射率为86 铝膜对基板的附着力比较强 机械强度和化学稳定性也比较好 广 泛用作反射膜 新淀积的Al膜暴露在大气中后 薄膜立即形成一层非晶的高透明Al 2O3膜 短时间内氧化物迅速生长到15 20A0 在紫外区一般采用MgF2膜作为保护膜 可见区采用SiO作为初始材 料 蒸发得到以Si2O3为主的SiOx膜作为Al保护膜 制备条件高纯镀的Al 99 99 在高真空中快速蒸发 50 100 nm s 基板温度低于50 2 Ag银 适用于可见区和红外区波段 具有很高的反射率 可见区的反射率可以达到95 红外区反射率99 紫外区反射率 很低 Ag层需加保护膜 Al2O3与Ag有很高的附着力 SiOx具有极强的保 护性能 所以常用结构为 G Al2O3 Ag Al2O3 SiOx A Al2O3膜层厚度为20 40nm SiOx膜补足设计波长的二分之一 制备条件高真空 快速蒸发和低的基板温度 3 金Au 在红外波段内具有几乎和银差不多的反射率 用作红外 反射镜 金膜新蒸发时 薄层较软 大约一周后 金膜硬度趋于稳 定 膜层牢固度也趋于稳定 制备条件高真空 蒸发速率30 50A s 基板温度100 150 需要在基板先打底 以Cr或Ti膜作底层 常用Bi2O3 ThF4等作保护膜 以提高强度 4 铬Cr Cr膜在可见区具有很好的中性 膜层非常牢固 常用作 中性衰减膜 制备条件真空度在1 10 2 2 10 4Pa 淀积速率95 300A s 基板温度增加 反射率提高 淀积在300 基板上的Cr膜 其反射率 比室温淀积的高20 2 介质和半导体薄膜 对材料的基本要求透明度 折射率 机械牢 固度和化学稳定性以及抗高能辐射 1 透明度 短波吸收或本征吸收主要是由光子作用使电子由价带 跃迁到导带引起的 只有当光子能量 E c 12 4keV A 大于禁带宽度 Eg Eg才有本征吸收 透明区光子能量不足促使价电子激发 除了少量杂质吸收和 半导体中自由载流子吸收外 没有其他吸收机理 长波吸收区主要是晶格振动吸收 在半导体还有自由载流子吸收 高折射率材料在可见区的消光系数比低折射率材料大1 2数量级 因为高折射率的 c1要靠向长波 多晶薄膜的损耗最大 无定形为其次 单晶为最小 2 折射率 薄膜的折射率主要依赖 材料种类材料的折射率是由它 的价电子在电场作用下的性质决定 材料外层价电子很容易极化 其折射率一定很高 对化合物 电子 键结合的化合物要比离子键的折射率高 折射率大致次序递增卤化物 氧化物 硫化物和半导体材料 波长折射率随波长变化为色散 正常色散为随波长增加而减小 正常色散位于透明区 反常色散位于吸收区 晶体结构 3 机械牢固度和化学稳定性 对膜料的要求 膜料本身具有良好的 机械强度和化学性能 薄膜与基板 薄膜与薄膜之间要有良好的附 着力 薄膜应力要尽可能小 而且其性质要相反 以降低多层膜的 积累应力 4 抗高能辐射 考虑激光波长 激光脉冲宽度 重复频率 冰晶 石 Na3AlF6 在可见区折射率大约1 35 透明区为0 2 14mm 特点折射率低 应力小 易于吸潮 易损伤 主要用于和ZnS组合制成胶合保护的干涉滤光片 淀积膜层的成分依赖于蒸发温度或蒸发速率 NaF为1 29 1 31 Al F3为1 385 快蒸发的膜层折射率较高 氟化镁MgF2 在 550nm的折射率约为1 38 透明区为0 12 10mm 是所有低折射率的卤化物中最牢固的 特别是当基板温度250 左 右时 非常坚硬耐久 在减反膜中广泛应用 膜层折射率接近体材 料 聚集密度接近于1 MgF2膜具有很高的张应力 MgF2蒸发时易于喷溅蒸发表面形成了一层熔点比MgF2更高的MgO 材料蒸发次数越多 这种现象越严重 材料本身晶粒太细 除气预 熔的气体来不及释放 所以选用一定晶态结构的块状材料 硫化锌ZnS 用于可见和红外波段的最重要的一种膜料 在可见区常与低折射率的氟化物组合 在红外区 与高折射率的半 导体材料组合 在可见区的折射率为2 3 2 6 在红外区为2 2 透明区为0 38 14mm ZnS的凝结系数随基板温度上升而迅速下降蒸发ZnS时 分解为Zn和 S 在凝结过程中又重新化合 在基板温度300 时 ZnS基本上停止凝结 聚集密度较高 压应力 直接使用电阻蒸发时 出现刺激性很强的H2S 剩余的ZnS块材料分 解出Zn并发黑 这种Zn还可能氧化成高熔点的ZnO 附着在ZnS表面 使ZnS难于蒸发 用电子枪蒸发这种现象明显减少 电子枪蒸发的ZnS膜具有闪锌矿立方结构 用舟蒸发的是闪锌矿和纤 锌矿的混合物 后者对高温不稳定 淀积在室温基板上的ZnS膜 牢固度很差 改善牢固度的措施 1 离子轰击并在轰击结束后尽快蒸发 2 基板烘烤 温度为150 200 3 老化处理 在空气中250 300 温度烘烤4小时 二氧化钛TiO2 折射率高 牢固稳定 在可见和近红外呈透明 TiO2材料在真空中加热蒸发时因分解而失氧 形成高吸收的亚氧化 钛 故常采用反应蒸发技术 初始膜料TiO Ti2O3随着蒸发量增加 氧含量增加 折射率降低 TiO2则含氧量减少 折射率升高 唯有Ti3O5氧含量不变 能够得到 稳定的折射率 TiO2膜的吸收和折射率均随着基板温度和蒸发速率的升高而增加 随着氧压升高而降低 在空气中加热处理能有效地减少膜内的低价氧化物 TiO Ti2O3和T i3O5的转化温度为200 250 350 大于350 膜料中掺杂一定量的ZrO2或Ta2O5 可使吸收降低 二氧化锆ZrO2 具有较高的折射率 易于得到低吸收的薄膜 膜层十 分牢固稳定 短波250nm处消光系数为0 001 可作为紫外材料 ZrO2具有明显的负折射率不均匀性 采用ZrO2中掺入某种金属或氧 化物 30 Ta金属 70 ZrO2 可以消除折射率不均匀性 ZrO2具有很大的张应力 使ZrO2 SiO2多层膜处于高应力状态 ZrO2会某些光学玻璃发生反应产生 白晕膜 其原因在于玻璃中 的金属离子 Ba2 Cd2 Pb2 与不稳定的Zr氧化物在水蒸气和C O2作用下反应 防止白晕膜的途经 避免选用含Ba Cd和Pb成分较高的玻璃 减少Z rO2在蒸发时的热分解和彻底清洁干燥基板 在易于产生白晕膜的 玻璃基板上预先淀积一层SiO2膜 对抑制白晕膜有一定效果 ZrO2膜的晶体结构呈四方相 在激光加热时因相变而变成单斜相 使ZrO2膜的激光损伤阈值大为降低 在ZrO2中掺入重量比为5 61的Y2O3 不仅可避免相变的产生而使阈 值提高 还可以减小折射率非均匀性和吸收散射 二氧化硅SiO2 唯一的分解小的低折射率氧化物 其折射率为1 46 透明区从真空紫外导中波红外 0 18 8mm 吸收很小 膜层牢固 耐磨耐腐蚀 结构精细 呈网状玻璃态 散射吸收小 保护能力强 SiO2在高温蒸发时 也会分解生成低价氧化物SiO Si2O3 三种硅氧化物的吸收带位臵 SiO10 0 10 2mm Si2O39 6 9 8mm SiO29 0 9 5mm和12 5mm 红外波段0 76 50mm 能够使用的材料很有限 介质材料的禁带宽度很大 大部分仅在可见光和近红外区透明在中 红外波段就出现长波晶格振动吸收带 金属卤化物的晶格振动吸收 带相应的波长较长 但普遍易吸潮 常用的红外介质材料ZnS ZnS e透射波段分别体材料为14mm和22mm 薄膜态时 为23mm和25mm 半导体材料或其化合物禁带宽度窄 短波吸收限较长 折射率高 限制他们在长波使用的是杂质吸收和自由载流子吸收 特别是自由 载流子吸收和波长平方成正比 要求半导体材料具有尽可能高的纯度和低的自由载流子浓度 通常1 6 5mm波段采用Ge SiO膜系 4 10mm波段采用Ge ZnS膜系 8 20mm波段采用PbTe ZnSe膜系 更长波段采用PbTe CdSe PbTe CsI膜系组合 Ge膜的折射率约为4 0 其硬度 莫氏6级 比PbTe 3级 和Te 2 2 5级 高2 3倍 当基板温度为200 左右时可以获得较好的结果 PbTe要求材料的自由载流子浓度低 且在250 的基板温度上得到较 小的吸收 在400 200nm的近紫外区 高折射率如HfO 2 ZrO2 中等折射率MgO Al2O3 低折射率SiO 2 MgF 2 LiF等 在小于200nm的真空紫外 只有少量的低折射率材料 没有高折射 率材料 常采用Al MgF2 或LiF3 制备100 200nm紫外反射镜 采用驻波场设计 低吸收材料臵于波腹位臵吸收较高的高折射率材 料臵于膜系的驻波波节位臵 5 基板材料 1 玻璃 非晶的光学玻璃 红外玻璃和激光玻璃 光学玻璃可以分为 冕牌玻璃 K 和火石玻璃 F 冕牌玻璃折射率较低 色散系数较 高 硼硅酸玻璃 分为氟冕 FK 磷冕 PK 轻冕 QK 钡冕 BaK 重冕 ZK 镧冕 LaK 特冕 TK 等 火石玻璃折 射率较高 色散系数较低 铅硅玻璃 分为冕火石 KF 轻火石 QF 钡火石 BaF 重 火石 ZF 和镧火石 LaF 等 光学玻璃的折射率可以从光学玻璃材料中查到 波长587 7nm 氦黄线 或589 3nm 钠黄线 处的折射率nd或n D 相对色散 阿贝数 由波长486 1nm和656 3nm处的折射率n F和n C确定 d nd 1 n F n C 或 D nD 1 n F n C 玻璃的折射率可以从色散公式计算 n G n D n C n D D C D 线膨胀系数 主要取决于玻璃中碱金属氧化物 Na2O K2O 和碱土金属氧化物 BaO PbO 的含量 一般在55 85 10 7 QK2具有特别低的热膨胀系数32 10 7 常用于制造大型光学零件 反射镜及光栅 F13 100 10 7 具有和钢相似的热膨胀系数 可以作为玻璃刻尺材料 光学玻璃的密度主要决定于成分 并随着折射率而直线上升 密度 近似表示为 对冕玻璃 10 nD 12 58 对火石玻璃 10 nD 10 45 杨氏模量E表示在应力作用方向上的应力和应变之比 剪切 模量G表示切应力和剪应力之比 泊松比 表示应力作用方向上的 应变与垂直应力作用方向上应变之比 E 2G 1 表征玻璃抗热应力 热畸变的能力和刚度 氧化物玻璃在红外区有强的吸收 用硫属元素S Se Te制成硫属红 外玻璃 以Ge As Se系的光学物理性能为最佳 激光玻璃主要是掺钕玻璃 2 晶体材料 包括介电晶体 或离子晶体 和半导体晶体 共价晶 体 介电晶体主要包括碱卤化合物 碱土 卤族化合物 以及某些氧化 物等 具有较小的折射率 较高的透过率 其光学性能主要取决于 晶格振动吸收 且随温度变化较小 半导体晶体主要包括IV族元素晶体和III V族化合物晶体 折射率较高 表面需要镀减反膜 其光学性质主要取决于本征