红外薄膜系统的设计和制备

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硒化锌是红外宽波段(0.7-14μm)优秀的红外窗口透过材料,但是由于其折射率相对偏高,耐磨抗蚀性能差,并且有32%的反射损失,因此必须在它的表面镀制红外增透和保护膜。本文的主要研究目的就是在硒化锌基底沉积红外增透和保护膜系。根据薄膜光学的基本理论和计算机辅助设计方法之一的“彻底搜索法”在硒化锌基底上设计了各种增透保护膜系方案。结合对红外光学保护材料的分析,对膜系材料进行了合理的选择,确定了膜系结构,各膜层的材料,及光学常数(主要指薄膜的厚度和折射率)以及对膜系结构的光学常数偏差对透射率的影响的分析,最终确立了设计方案受薄膜的厚度影响很小的方案,为膜系制备可重复性提供了保障。通过对不同制膜技术的分析和研究以及选择对比,并进行了大量的试制,在此基础上,采用了中频双靶磁控反应溅射技术制备进行了DLC/Ge1-xCx红外保护和增透膜系的制备,和当前采用射频磁控反应溅射技术相比,有以下几点优点:1)中频溅射大大减少了对操作人员以及周边环境的危害性。2)双靶共溅射(Ge靶+C靶),可以方便控制Ge1-xCx的成分,同时,可以减少工作气体(CH4+Ar)中的CH4所占的比例,从而避免CH4在分解过程中在靶表面形成介质膜。而出现靶中毒现象,影响溅射的稳定从而影响成膜的质量。3)能制备从低到高各种碳成分的Ge1-xCx薄膜,便于我们控制薄膜的折射率,而以往的方法只适用于制备高折射率的Ge1-xCx薄膜。据资料调研表明,尚未发现国内其它单位采用该技术进行DLC/Ge1-xC膜系结构的制备。对制备的各种薄膜进行了相关测试和分析,研究了薄膜的结构,成分及光学常数,并与制备工艺进行了系统研究的关系,采用XPS测试分析的Ge1-xCx薄膜的成分,结合进气比例CH4/CH4+Ar,得出了进气比例和薄膜成分的关系;根据光谱法中的极值方法确定光学常数(薄膜厚度和折射率),得出了薄膜成分和折射率的关系;根椐XRD,和激光Raman谱测量Ge1-xCx薄膜的晶相结构,还研究了基底温度对薄膜结构的影响。在此基础上,进行了膜系结构工艺参数的筛选和总结,制备硒化锌为基底的增透保护膜,在双面镀膜的情况下,在红外宽波段(0.7-14微米)的平均透过率为80.3%,整体透过率提高了15%左右。本文主要研究内容和取得的成果:1.根据薄膜光学的基本理论和本工作的实际情况,选择了“彻底搜索法”的设计方法在硒化锌基底上进行增透保护膜系结构的设计。并根据保护要求合理的选择了材料,最终确定了膜系结构参数。2.根据设计方案,对膜系结构进行了大量实验探索,确立了双靶中频磁控反应溅射技术进行该膜系结构制备的最终技术。3.采用双靶中频磁控反应溅射技术实现了不同含碳成分的Ge1-xCx薄膜的制备,满足了膜系结构折射率变化的设计要求,同时避免了靶中毒现象,实现了溅射的稳定进行。4.进行了双靶中频磁控反应溅射技术对Ge1-xCx红外增透和保护膜的制备工艺的系统研究,通过各种分析测试手段,研究了薄膜的结构、成分及光学常数等与制备工艺参数的关系,由此最终确立的膜系结构的制备工艺,该工艺不仅制备出满足目标的,而且为该膜系结构制备的重复性提供了保障。5.在硒化锌基底制备的增透保护膜,在双面镀膜的情况下,在红外宽波段(0.7-14微米)的平均透过率为80.3%,整体透过率提高了15%左右。抗磨耐蚀试验表明,该膜系还具有较好的抗磨耐蚀性能。
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