光学镀膜材料的理论与实践
17页1、中国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 光学镀膜材料的理论与实践 王武育* 北京有色金属研究总院 一、 前言 二、 光学镀膜材料的分类及特点 三、 镀膜材料制备方法简介 四、 典型镀膜材料介绍 五、 不同工艺制备的氟化镁材料对真空镀膜的影响 六、 钨钼热蒸发源材料的高温蠕变和高温再结晶行为 七、 常用光学系列镀膜材料 八、 结束语 *王武育,北京有色金属研究总院矿冶研究所 教授级高级工程师,主要从事金属及化合物镀膜材料的真空高温制备( ) 电话: 82241319 , 13691123683 电子邮件: 1 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 一、前言 能源、信息和生物技术被称为现代社会的三大支柱,而材料科学又是能源、信息和生物技术的基础。自上世纪 30 年代氟化镁(透膜层被发明以来,特别是近 20 年来,由于材料科学与薄膜技术的结合,薄膜技术对材料新功能的不断需求,使光学薄膜材料的品种、应用范围以及使用数量以惊人的速度增加。因此,镀膜技术的发展,时刻伴随并强有力地推动着镀膜材料的发展和完善,薄膜材料与薄膜技术形成了密不可分的相辅相成关系。
2、 目前,光学镀膜材料常用品种已达 60 余种,而且其品种、应用功能还在不断被开发。如在光学装置中一种非常重要的透明导电薄膜,除化合物膜料品种( ,近年已发展到了金属膜系,当金、银、铜和铝的厚度为 720对可见光的透射率为 50%,而对红外光透射率小于 10%,这种薄膜已成功地应用于阿波罗宇宙飞船的面板,用于透过部分可见光,而反射几乎全部的红外光以进行热控制。 从用途和用量看,近年来,由于人们生活质量的提高,使加膜眼镜片、冷光镜和日用色彩装饰业的工业化进程加快,最常见的三种化合物膜料用量达到了出人预料的程度。就目前掌握的情况看, 2005 年国内 t,而且有供不应求的态势。可以预计,大批量、低成本的镀膜材料制备工艺将会有力地促进光学薄膜材料的品种、用途及生产规模的飞跃。 二、光学镀膜材料的分类及特点 (一)、光学镀膜材料的分类: 1、从化学组成上,薄膜材料可分为: 氧化物类:化物类:它化合物类: 金属(合金)类: 2、从材料功能分,镀膜材料可分为: (1)光介质材料:起传输光线的作用。这些材料以折射、反射和透射的方式改变光线的方向、强度和相位,使光线按预定要求传输,也可吸收或透过一定波长
3、范围的光线而调整光谱成份。 (2)光功能材料:这种材料在外场(力、声、热、电、磁和光)的作用下,光学性质会发生变化,因此可作为探测、保护和能量转换的材料(如 (二)光学镀膜材料的特点 从化学结构上看,固体材料(薄膜)中存在着以下键力: 1. 离子键:离子晶体中,每个离子被一定数量的异号离子所包围,离子晶体中作用力较大,所以离子键很牢固,这就决定了离子晶体具有熔点高、沸点高和硬度大、强度高的特点; 2. 共价键:主要通过同质原子贡献电子构成的极性或非极性双原子偶化学键。共价键在气体分子结构中较为普遍,如 。金属键中也常出现不同程度的共价键力; 3. 原子键:(或金属键):原子键也十分牢固,这类键组成的化合物( 氮化物)也具有硬度高、强度大和熔点高的特点; 4. 分子键(或范德华键) :把原子联结成分子的力相当大,而分子之间的键又十分弱(因此,这类键组成的化合物具有熔点低,强度低的特点。 实际上,固体化合物中化合键的组成是组合型 的,就是说一种化合物中原子或分子的结合力并不是纯粹由单一键连结的,往往是以上几种键交互作用的。 第 2 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资
4、料 由于化学键的特性,决定了不同薄膜材料或薄膜具有以下不同特点: (1) 氧化物膜料大都是双电荷(或多电荷)的 离子型晶体结构,因此,决定了氧化物膜料具有熔点高、比重大、高折射率和高机械强度。它们的折射率一般在 间。它们也被称作硬介质光学材料。 (2) 而氟化物中除含有离子键外,大多含有一 定的结合力相对弱的分子键,而且氟离子的单电荷性都决定了氟化物膜 料具有低熔点、小比重、低折射率和较差的机械强度(膜层较软)。它们的折射率一般在 间,它们也被称为软介质光学薄膜材料。 (3) 金属或合金含有大量的自由电子,当光射 到金属或合金表面时,光子同电子云的表面层相互作用,使得金属中的 电子得到能量而本征激发,显示金属特有的光泽。一般金属具有较强的反光性和吸 光性,因此金属(或合金)材料一般作为反光薄膜材料或光调节材料。人们可以通 过合金化改变电子浓度而改变金属的光性能。纯铜能吸收较大范围的可见光,而反射 橙红光,当给铜中加入 510%成的金属具有吸收 可见光,而只反 金黄色可见光,这就是典型的一种仿金材料。 (三)光学镀膜材料的表观颜色 光学镀膜材料的本征颜色,是其对自然光谱的作用效果。 1、
5、 一般化合物(氧化物和氟化物)是粉末或团聚态(见图 9,a 、b),由于内部组织中没有多余的价电子,并且其结 构是多孔、粗糙的,造成了对光谱的散射和表面均匀反射。因此多数情况下观察到的化合物是白色的。 2、 晶体化合物材料具有均匀、无气孔、光滑等良好的内部结构(见图 9,c 、d),在无吸收的情况下,光谱中多色光会均匀透过,因此,单晶体化合物一般是无色透明的;而多晶体内部由于有晶界和晶体缺陷的存在,往往是半透明的。 3、 金属中自由电子的存在,使得 照射光子发生能量改变,因此这种作用造成了金属或合金材料具有较强的反光性、不透明性和银灰色外观。 4、 低价氧化物(如 ),由于失氧作用,其内部不同程度地存在着没有配对的自由电子或是不对称离子结构,它们的结构介于氧化物和金属之间,因此,它们往往出现一定的导电性和 金属化颜色。低价氧化物往往呈现灰色、黑色和其它颜色。如 紫黑色, 金黄色。其他化合物,如氟化物、某些硫化物也有类似现象。 三、 镀膜材料制备方法简介 镀膜材料制备的主要方法可概括为: 1、 湿法(水法)制备工艺: 酸(碱)溶法、 液相萃取法、分馏法、结晶法。 2、 火法高温制备工艺:
6、 热还原法、 物理汽相沉积(、化学汽相沉积(、 液相外延生长法(、热等静压成型法、高温烧结法(或熔炼法)。 一般材料的制备都是采用特定 的湿法工艺和火法工艺相结 合的方法,而且不同材料的制备工艺也有所不同。为了说明材料的制备工艺,图 1 给出了两种工艺制备二氧化钛(的简易流程(见图 1)。 四、 典型镀膜材料介绍 (一) 二氧化锆((1) 具有较高的折射率、膜层吸收小以及膜层牢固、抗腐蚀等许多优良特性,但它镀膜时的钻坑现象和工艺、材料的不稳定性导致了膜层 第 3 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 折射率的不稳定,从而限制了它的广泛应用。 1、 导致折射率不稳定的成因 从材料研究角度看,造成 是是热差引起的钻坑现象。 第 4 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 100左右时,由单斜晶型转变为四方晶型(单斜四方晶)此时伴随有 7%9%的体积变化。在目前镀膜工艺中,这一变化会直接导致光学薄膜的堆积密度及薄膜均匀性的变化,这也是引起折射率不稳定的根本原因。 (2) 700)、热函大和导热性差,而蒸发用电子枪能量分布有限且十分集中,这样造成只
7、有光斑扫描处 的料面熔化蒸发,形成材料局部坑洞。钻坑效应对薄膜的直接影响是:由于坑洞的 遮掩引起了蒸发速度的变化,进而造成了膜层形成的不均匀;坑洞形成影响了光斑对料面的扫描,最终影响了膜层性能的重现性。 2、 对(1) 混料配比法:向这些氧化物的阳离子半径和近,在和有效地防止或减弱温度变化体积变化折射率变化过程的发生。 (2) 镀膜工艺的实践表明,料) 熔融蒸发 气体) 充氧沉积 膜) 也就是说,在短时间的非平衡物理化学变化过程中, 900,导热性能好,易蒸发且电子枪扫描不易钻坑,这些特点为替前,研制和镀膜试验已取得了一定进展。 (二) 钛氧化物系列( 二氧化钛(论研究和镀膜实践均已证实,空状态下容易发生分解失氧或歧化反应: 温真空) 1这一现象在膜锅底剩料中不难发现,其中各组份重新氧化成们氧化程度的不同,决定了成膜后此,直接用艺条件和膜层性能的重现性也是比较难以控制的。近年来,根据有效地替代膜。根据国内外目前对材料的镀膜结果测试,用效果最佳。 五氧化三钛(熔点 1750,氧蒸发,u,黑色粉末、片或晶体颗粒,适合于热蒸发(W、a)或电子枪蒸发。 (三) 中折射混合膜料(在镀膜实践中,现
8、成材料的折射率很难满足膜系设计的要求,这就需要对材料进行有效地组合。目前单元材料中,低价折射率(n高折射率(n材料较多,们根据罗伦茨罗伦兹色散理论,对单元化合物材料进行了化学当量相熔,组成了多组份的中折射膜料( 1、据罗氏定理, 其中:n组合膜料的折射率; 第第第将可相熔四组份化合物(A、B、C、D)进行化学共沉淀,形成单相体混合料,将混合物在第 5 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 真空高温加热相熔,形成组份恒定的混合膜料。 2、 混合膜料(含特点 在真空高温状态下,几乎所有化合物都有不同程度地分解,特别是一些常态下十分稳定的氧化物,如们都会发生分解或歧化反应(如这种分解作用会使镀膜过程中的膜 层形成复杂的成份,对折射率或光吸收会产生不良影响。 如有释氧现象,而在15001700真空下会强烈吸氧,而此时以此时存在材料氧平衡关系: 700 3215001700 4经合理配比,可以达到膜料总氧量基本平衡,从而保证膜层成份的均匀稳定。 在 料中,利用 A、B、C、D 四组分在不同条件下的释氧或吸氧特点,对材料进行了稳定化。 3、 (1) 该材料适于电子枪蒸发,低
9、放气; (2) 熔点1700,蒸发温度2100; (3) 0u,折射率n= (4) g/观呈绿色或浅绿色颗粒。图2,图3分别为第 6 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 (四) 透明导电薄膜材料(1、用途:目前用途最广泛的透明薄膜材料是 的基本用途为:(1)液晶显示和彩色显示器; (2)触摸式面板;(3)防静电薄膜; (4)汽车、飞机、防雾窗; (5)节能建筑窗户;(6)高效节能灯泡。 2、透明导电膜料的种类及镀膜工艺要求 氧化物膜料(采用共沉淀化学过程和等静成型生产成靶、片或粒状, 适合磁控溅射和电子枪镀膜。 合金膜料(熔融金属采用电磁搅拌 形成均匀合金,可做成 靶或带状, 适合于磁控溅射、电子枪和电阻蒸发。 表1给出了某种合金膜料的一组试验参数。 3、 薄膜透明导电机理 由于这种材料的构成特点,通过磁控溅射、电子枪或电阻蒸发得到的薄膜组织中,大部分由氧化物构成,因此,这种薄膜和其它氧化物薄膜一样具有良好的透光性;而另一方面,薄膜中又同时含有足够的自由移动电子和氧原子(离子)空穴,这种负荷粒子在电场或电压作用下可形成电流而导电;以上特点奠定了透明导电薄膜的理
10、论基础。 表 1. 金膜料电子枪蒸发数据(石英基片) 试验条件 薄膜测试结果 熔点() 500 透过率(% ) 90(6200A) 材料比重(g/分压( 0) 1200 蒸发速度(A/2 基片温度() 250 基片后处理温度() 300,45电率 (/ ) 110 在可见光区,负荷粒子的多少 直接影响薄膜的导电率和透 光性,一般情况下,导电率和透光率呈现反比例关系。目前薄膜光性能可 以达到,当可见光透过率 90%时,基片面方值为 80/ 较好指标。 4、薄膜的后处理 第 7 页 国光学光电子行业协会 2008 年光学薄膜培训班培训资料 由于真空镀膜是瞬时发生的复 杂的非平衡传热、传质和动 量传输过程,当膜料形成膜层时,薄膜中缺陷对其光学、导电、机械性能等均有很大影响。因此,除镀膜过程需要充氧外,适当的基板加热和后烘烤工艺会明显提高透明导电薄膜的光电及力学性能。 (五)憎水材料(1、憎水原理 憎水材料是一种疏水物质。要形成稳定的憎水薄膜,对材料有如下要求: (1) 该材料必须是热稳定(不分解)和耐腐蚀抗氧化的优良材料,在镀膜过程中不热解、不放气,适合热蒸发或磁控溅射; (2) 该材料和基
《光学镀膜材料的理论与实践》由会员桔****分享,可在线阅读,更多相关《光学镀膜材料的理论与实践》请在金锄头文库上搜索。
前台试用期转正工作总结
[精编]教师个人研修计划书【四篇】 (2)
爱是孩子的安全毯
广电员工试用期转正工作总结
发展新团员工作标准流程
矿产资源储量勘查核实报告编制中应注意及有关问题及处理意见
第一章第三节地球的运动教案2
严格执行生产过程中“两票三制”的主要意义
苏教版科学四年级下册教学工作计划(2篇)
主斜井皮带运输机选型能力核算
猪场防疫问题及处理措施之我见
乡镇2019年上半年工作总结(二)
二轮复习细胞代谢专题重点知识整理(呼吸作用、光合作用)
2021年竞选后备储干精彩演讲稿:竞聘演讲.doc
会泽县制造业协同联动项目企划书
浙江温州市职业中等专业学校招考聘用文员及保健医生(同步测试)模拟卷(第19版)
2022宁夏省建筑“安管人员”施工企业主要负责人(A类)安全生产考核题库含答案第15期
保安个人工作计划范文(7篇)
设备租赁合同范本
临街门面租赁合同(2篇)
2022-06-07 2页
2021-12-04 21页
2021-05-02 2页
2020-06-05 5页
2020-06-05 11页
2020-06-05 3页
2020-06-05 5页
2020-06-05 6页
2020-04-25 2页
2019-06-04 4页