一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜折射率調(diào)節(jié)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法。本發(fā)明通過使用熱等向壓力作用的方法，實現(xiàn)對光學(xué)薄膜折射率減低方向的調(diào)整。該方法采用熱等靜壓對光學(xué)薄膜進(jìn)行后處理折射率改性，尤其是針對降低氧化物陶瓷光學(xué)薄膜材料的折射率。此方法新穎、操作可行，能夠有效實現(xiàn)降低氧化物陶瓷光學(xué)薄膜材料的折射率。通過實施上述方法，可以方便有效地降低陶瓷氧化物薄膜的折射率，而且通過對薄膜橫向等向加壓和加溫，保證薄膜折射率調(diào)控的橫向均勻性。
【專利說明】一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜折射率調(diào)節(jié)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]陶瓷氧化物薄膜主要包括T12、ZrO2、Ta2O5, HfO2、Y2O3, S12等，具有良好的力學(xué)強(qiáng)度、抗氧化性強(qiáng)、耐磨損性好、熱膨脹系數(shù)小、硬度高以及耐高溫、抗熱沖擊和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性。因此，在光學(xué)薄膜材料領(lǐng)域中已被廣泛地用作各種光譜調(diào)制光學(xué)元件的研制與開發(fā)。在光學(xué)薄膜的沉積技術(shù)中，有許多成熟的技術(shù)手段，其中基于物理氣相沉積技術(shù)的電子束(E-beam)、離子輔助(1n Assisted Deposit1n，IAD)和離子束派射(1n BeamSputtering，IBS)、磁控派射(Magnetron Sputtering)是常用主流的光學(xué)薄膜制備技術(shù)手段，實現(xiàn)陶瓷氧化物薄膜在光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用。
[0003]氧化物陶瓷薄膜的物理化學(xué)氣相沉積過程是強(qiáng)非平衡物理化學(xué)過程，塊體材料經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)過程形成薄膜材料，薄膜材料的組分、密度、氣孔、晶相結(jié)構(gòu)、折射率、消光系數(shù)等物理特性與塊體材料有較大差異。光學(xué)薄膜的折射率是影響到薄膜光學(xué)特性、應(yīng)力特性、散射特性和吸收特性的重要參數(shù)，因此，人們在調(diào)控薄膜折射率的方法中主要有個主要層次，一是通過制備工藝參數(shù)調(diào)控，另一就是通過后處理改性。在第一個層次上，薄膜的折射率與制備工藝參數(shù)有關(guān)，當(dāng)工藝參數(shù)固定后薄膜的折射率就已經(jīng)固定；在第二個層次上，就是對制備好的光學(xué)薄膜折射率進(jìn)行改性，目前主要方法有紫外線輔助熱處理、真空熱處理、特定氣氛下的熱處理、快速光熱退火等，這些方法各有利弊，尤其是在薄膜折射率調(diào)控的幅度和橫向均勻性上仍存在問題。從薄膜特性的多種性能改善角度出發(fā)，需要尋找一種新的薄膜后處理方法，以改善目前的后處理技術(shù)存在的問題。
[0004]自1955年，美國首先研制成功熱等靜壓裝置以來，熱等靜壓處理技術(shù)在粉末金屬和鑄件致密化方面的應(yīng)用穩(wěn)步增長，在各種新材料的開發(fā)、制備與改性處理方面引起了世界各國材料科學(xué)家們的普遍關(guān)注。在光學(xué)材料領(lǐng)域內(nèi)，熱等靜壓處理技術(shù)被廣泛ZnS、ZnSe、MgF2等材料的后處理中，如國外對ZnS材料的研宄結(jié)果是，將ZnS在可見光范圍內(nèi)的透過率從10%左右提高到50%，并使其在中、遠(yuǎn)紅外波段的透過率都有不同程度地提高。而在光學(xué)薄膜領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用熱等靜壓后處理技術(shù)則是鮮見報道。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:如何提供一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法。
[0007]( 二 )技術(shù)方案
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法，其包括如下步驟:
[0009]步驟S1:將制備好的陶瓷氧化物薄膜放置在培養(yǎng)皿中；
[0010]步驟S2:對熱等靜壓的設(shè)備內(nèi)腔進(jìn)行清理，防止培養(yǎng)皿與薄膜受到污染；
[0011]步驟S3:將培養(yǎng)皿放置在加熱體的支架上，保證將培養(yǎng)皿放置在中間位置；
[0012]步驟S4:關(guān)閉真空腔，檢查真空密封性，抽取真空到I?50Pa ；
[0013]步驟S5:向真空室內(nèi)充入氬氣，保證壓力20?10Mpa ；
[0014]步驟S6:設(shè)置熱等靜壓的工藝參數(shù)，溫度為200?600°C、升溫速率為5°C/min、處理時間為8?24h ;
[0015]步驟S7:熱等靜壓處理完成后，卸載壓力與溫度，自然降溫到室溫，取出樣品；
[0016]步驟S8:用橢圓偏振儀測量陶瓷氧化物薄膜的折射率。
[0017](三)有益效果
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明通過使用熱等向壓力作用的方法，實現(xiàn)對光學(xué)薄膜折射率減低方向的調(diào)整。該方法采用熱等靜壓對光學(xué)薄膜進(jìn)行后處理折射率改性，尤其是針對降低氧化物陶瓷光學(xué)薄膜材料的折射率。此方法新穎、操作可行，能夠有效實現(xiàn)降低氧化物陶瓷光學(xué)薄膜材料的折射率。通過實施上述方法，可以方便有效地降低陶瓷氧化物薄膜的折射率，而且通過對薄膜橫向等向加壓和加溫，保證薄膜折射率調(diào)控的橫向均勻性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法流程圖。
[0020]圖2為熱等靜壓前的離子束濺射Hf(V薄膜橢偏光譜示意圖。
[0021]圖3為熱等靜壓后的離子束濺射Hf(V薄膜橢偏光譜示意圖。
[0022]圖4為熱等靜壓前/后的離子束濺射Hf(V薄膜折射率示意圖。
[0023]圖5為熱等靜壓前的離子束濺射Ta2O5薄膜橢偏光譜示意圖。
[0024]圖6為熱等靜壓后的離子束濺射Ta2O5薄膜橢偏光譜示意圖。
[0025]圖7為熱等靜壓前/后的離子束濺射Ta2O5薄膜折射率示意圖。
[0026]圖8為熱等靜壓前的離子束濺射SiCV薄膜橢偏光譜示意圖。
[0027]圖9為熱等靜壓后的離子束濺射SiCV薄膜橢偏光譜示意圖。
[0028]圖10為熱等靜壓前/后的離子束濺射SiCV薄膜折射率示意圖。

【具體實施方式】
[0029]為使本發(fā)明的目的、內(nèi)容、和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0030]為解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提供一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法，如圖1所示，該方法將制備好的陶瓷氧化物薄膜放置在培養(yǎng)皿中，然后放置于熱等靜壓處理爐內(nèi)，熱等靜壓的參數(shù)主要選擇為氣氛、溫度、壓力和處理時間；
[0031]其包括如下步驟:
[0032]步驟S1:將制備好的陶瓷氧化物薄膜放置在培養(yǎng)皿中；
[0033]步驟S2:對熱等靜壓的設(shè)備內(nèi)腔進(jìn)行清理，防止培養(yǎng)皿與薄膜受到污染；
[0034]步驟S3:將培養(yǎng)皿放置在加熱體的支架上，保證將培養(yǎng)皿放置在中間位置；
[0035]步驟S4:關(guān)閉真空腔，檢查真空密封性，抽取真空到I?50Pa ；
[0036]步驟S5:向真空室內(nèi)充入氬氣，保證壓力20?10Mpa ；
[0037]步驟S6:設(shè)置熱等靜壓的工藝參數(shù)，主要溫度為200?600°C、升溫速率為5°C /min、處理時間為8?24h ；
[0038]步驟S7:熱等靜壓處理完成后，卸載壓力與溫度，自然降溫到室溫，取出樣品；
[0039]步驟S8:用橢圓偏振儀測量陶瓷氧化物薄膜的折射率。
[0040]下面結(jié)合具體實施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。
[0041]實施例1
[0042]離子束濺射制備!1?)2薄膜折射率改性:
[0043]I)超光滑表面的Si基底，表面粗糙度?0.3nm，尺寸為Φ 40 X 0.30mm，采用離子束濺射沉積方法制備HfO2薄膜；
[0044]2)離子束濺射沉積HfCV薄膜采用高純金屬Hf靶材，純度彡99.95%，背底真空度優(yōu)于1.0X10_3P，離子束壓為1250V，離子束流為600mA，氧氣流量為25sCCm，沉積時間為Ih ；
[0045]3)制備好的HfCV薄膜放置在石英培養(yǎng)皿內(nèi)，在熱等靜壓設(shè)備Ar氣氛中進(jìn)行處理，壓力50Mpa，溫度300°C，處理時間16h ；
[0046]4)利用橢圓偏振儀測量二氧化娃薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)Ψ(λ)和△ (λ)，設(shè)定測量波長范圍為300nm-800nm，測量步長為5nm，入射角度為55°和65°。橢圓偏振儀使用美國J.A.Woollam公司的VASE型可變?nèi)肷浣嵌葯E圓偏振儀HfCV薄膜反射橢偏光譜在熱等靜壓前后的反射橢偏譜參閱附圖2和附圖3 ;
[0047]5)熱等靜壓處理前后Hf02薄膜的折射率變化情況參閱附圖4。
[0048]實施例2
[0049]離子束濺射制備Ta2O5薄膜折射率改性:
[0050]I)超光滑表面的Si基底，表面粗糙度?0.3nm，尺寸為Φ 40 X 0.30mm，采用離子束濺射沉積方法制備Ta2O5薄膜；
[0051]2)離子束濺射沉積Ta2O5薄膜采用高純金屬Ta靶材，純度彡99.95 %，背底真空度優(yōu)于1.0X10_3P，離子束壓為1250V，離子束流為600mA，氧氣流量為25sCCm，沉積時間為Ih ；
[0052]3)制備好的Ta2O5薄膜放置在石英培養(yǎng)皿內(nèi)，在熱等靜壓設(shè)備Ar氣氛中進(jìn)行處理，壓力50Mpa，溫度300°C，處理時間16h ；
[0053]4)利用橢圓偏振儀測量二氧化娃薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)Ψ(λ)和△ (λ)，設(shè)定測量波長范圍為300nm-800nm，測量步長為5nm，入射角度為55°和65°。橢圓偏振儀使用美國J.A.Woollam公司的VASE型可變?nèi)肷浣嵌葯E圓偏振儀。Ta2O5薄膜反射橢偏光譜在熱等靜壓前后的反射橢偏譜參閱附圖5和附圖6 ;
[0054]5)熱等靜壓處理前后Ta2O5薄膜的折射率變化情況參閱附圖7。
[0055]實施例3
[0056]離子束濺射制備3102薄膜折射率改性:
[0057]I)超光滑表面的Si基底，表面粗糙度?0.3nm，尺寸為Φ 40 X 0.30mm，采用離子束濺射沉積方法制備Si02薄膜；
[0058]2)離子束濺射沉積SiCV薄膜采用高純紫外熔融石英靶材，純度彡99.995%，背底真空度優(yōu)于1.0 X 10_3P，離子束壓為1250V，離子束流為600mA，氧氣流量為25sCCm，沉積時間為Ih ；
[0059]3)制備好的SiCV薄膜放置在石英培養(yǎng)皿內(nèi)，在熱等靜壓設(shè)備Ar氣氛中進(jìn)行處理，壓力50Mpa，溫度300°C，處理時間16h ；
[0060]4)利用橢圓偏振儀測量二氧化娃薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)Ψ(λ)和△ (λ)，設(shè)定測量波長范圍為400nm-800nm，測量步長為5nm，入射角度為55°和65°。橢圓偏振儀使用美國J.A.Woollam公司的VASE型可變?nèi)肷浣嵌葯E圓偏振儀。SiCV薄膜反射橢偏光譜在熱等靜壓前后的反射橢偏譜參閱附圖8和附圖9 ;
[0061]5)熱等靜壓處理前后SiCV薄膜的折射率變化情況參閱附圖10。
[0062]綜上所述的三個實例，經(jīng)過熱等靜壓處理后的氧化物薄膜的折射率均減小，以633nm波長位置的折射率為例，HfCV薄膜折射率在熱等靜壓前后由1.94583下降到1.93087，變化率為0.769% Ja2O5薄膜折射率在熱等靜壓前后由2.09679下降到2.0965，變化率為0.014% ;Si(V薄膜折射率在熱等靜壓前后由1.47723下降到1.46796，變化率為0.769% ;其中HfCV薄膜和S12薄膜的下降絕對值量大于S12薄膜。
[0063]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種降低陶瓷氧化物光學(xué)薄膜折射率的方法，其特征在于，其包括如下步驟: 步驟31:將制備好的陶瓷氧化物薄膜放置在培養(yǎng)皿中； 步驟52:對熱等靜壓的設(shè)備內(nèi)腔進(jìn)行清理，防止培養(yǎng)皿與薄膜受到污染； 步驟33:將培養(yǎng)皿放置在加熱體的支架上，保證將培養(yǎng)皿放置在中間位置； 步驟34:關(guān)閉真空腔，檢查真空密封性，抽取真空到1?50？3 ； 步驟35:向真空室內(nèi)充入氬氣，保證壓力20?1001% ； 步驟56:設(shè)置熱等靜壓的工藝參數(shù)，溫度為200?6001:、升溫速率為51:加化、處理時間為8?2411 ； 步驟37:熱等靜壓處理完成后，卸載壓力與溫度，自然降溫到室溫，取出樣品； 步驟58:用橢圓偏振儀測量陶瓷氧化物薄膜的折射率。
【文檔編號】C23C14/58GK104483720SQ201410719558
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】季一勤, 劉華松, 姜玉剛, 劉丹丹, 王利栓, 姜承慧 申請人:中國航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五八研究所