本發(fā)明屬于光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其是涉及一種具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的設(shè)計(jì)及制備方法。

背景技術(shù)：

目前人造衛(wèi)星、飛船、空間站等航天器均利用太陽(yáng)電池來(lái)獲得持續(xù)運(yùn)行的能量。為了保護(hù)太陽(yáng)電池免受宇宙空間中的高能射線和帶電粒子的輻射和轟擊，延長(zhǎng)太陽(yáng)電池的使用壽命，常在太陽(yáng)電池表面粘貼空間用抗輻照玻璃蓋片。抗輻照玻璃蓋片中摻有二氧化鈰，能夠有效吸收太陽(yáng)光中紫外波段的光線，并大大減少了玻璃蓋片中因高能粒子輻照所產(chǎn)生的色心，從而降低了蓋片因輻照所引起的透射率衰降，保障了太陽(yáng)電池輸出功率的穩(wěn)定持久。

玻璃蓋片的折射率在1.51左右，當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射到玻璃蓋片表面時(shí)，約有4％的光反射損失(單一表面反射損失)。為了減少這一部分的光損失，現(xiàn)有的工藝是在玻璃蓋片表面沉積1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的MgF₂薄膜。MgF₂的折射率為1.38，理論上可以將太陽(yáng)光垂直入射時(shí)的表面反射率降低到1.3％(單一表面反射損失)，進(jìn)一步提高了太陽(yáng)電池組件的轉(zhuǎn)換效率。

在低地球軌道區(qū)域(Low Earth Orbit LEO，200km～600km)，氣體壓強(qiáng)為10^-5-10^-7Pa，環(huán)境組分中含有N₂、O₂、Ar、He、H₂和原子氧(AO)，其中以原子氧的含量最高，約占80％。原子氧是由氧氣在紫外線的照射下分解形成的，活性很高，具有強(qiáng)氧化性。雖然在LEO軌道內(nèi),AO的空間密度僅為10⁵～10⁹/cm³,但由于航天器以接近8km/s的速度飛行,迎風(fēng)面原子氧通量最高可接近10¹⁵/(cm²·s)，而且其中少數(shù)原子氧還處于激發(fā)態(tài),有向材料表面輸送附加能量的能力,該能量足以引起高分子材料斷鏈并形成低分子物質(zhì),這些物質(zhì)及其氧化物的揮發(fā)造成材料的剝蝕。此外,原子氧會(huì)與航天器表面撞擊產(chǎn)生輝光放電,造成材料表面開(kāi)裂、龜裂和局部燃燒及熔化等,太陽(yáng)紫外線特別是真空紫外線與原子氧的共同作用還會(huì)加劇原子氧對(duì)一些材料的剝蝕效應(yīng)，嚴(yán)重影響到航天器的性能和使用壽命。NASA等機(jī)構(gòu)所做的飛行實(shí)驗(yàn)、長(zhǎng)期暴露實(shí)驗(yàn)和有限期選擇性暴露實(shí)驗(yàn)均進(jìn)一步證實(shí)了原子氧是導(dǎo)致航天器表面材料發(fā)生性能變化的主要原因。

粘貼玻璃蓋片的太陽(yáng)電池組件在LEO中也會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)題，在原子氧的強(qiáng)氧化性的作用下，MgF₂逐漸被氧化為MgO。由于MgO的折射率約為1.74，當(dāng)玻璃蓋片表面的MgF₂被氧化后，蓋片的表面反射率將增加至11.0％，大大增加了太陽(yáng)電池組件的表面光反射損失，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)電池的輸出功率出現(xiàn)明顯的下降。

現(xiàn)有的原子氧防護(hù)涂層的制備方法，是在制備ITO/MgF₂復(fù)合靶材后，利用磁控濺射手段沉積獲得的。以圓形ITO靶材為主要基底，在ITO靶材表面利用導(dǎo)電膠粘貼片狀的扇形MgF₂材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)ITO靶材的部分覆蓋。在氬氣氣氛下，利用磁控濺射手段制備復(fù)合涂層。片狀MgF₂對(duì)ITO基底靶材的覆蓋面積比例約為15％～20％，直接影響了復(fù)合涂層中MgF₂所占的比例。

由于復(fù)合涂層由ITO和MgF₂兩種材料混合而成，雖然MgF₂所占的比例較少，但仍會(huì)因原子氧的氧化而發(fā)生變性。同時(shí)，ITO的折射率是在1.7～1.9左右，雖然摻有少量的MgF₂，但復(fù)合涂層整體的折射率仍是明顯高于玻璃蓋片的，因此此種復(fù)合涂層無(wú)法為玻璃蓋片帶來(lái)良好的增透效果。

綜上，對(duì)于空間用抗輻照玻璃蓋片，上述復(fù)合涂層并不適用。需要提出一種新型的表面薄膜，既具有原子氧防護(hù)抗性，又能夠?yàn)樯w片提供良好的增透效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種一種具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的設(shè)計(jì)及制備方法，尤其適合空間用抗輻照玻璃蓋片表面薄膜，解決抗輻照玻璃蓋片表面MgF₂薄膜被LEO軌道中的原子氧氧化變性的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜，包括兩層薄膜H_SiO2和L_SiO2，其結(jié)構(gòu)如下：AIR∣H_SiO2L_SiO2∣GLASS，AIR為入射介質(zhì)，H_SiO2為折射率1.45±0.01的SiO₂膜層，厚度為20±1nm，L_SiO2為折射率1.28±0.02的SiO₂膜層，厚度為95±5nm，GLASS為摻有二氧化鈰的玻璃蓋片。

進(jìn)一步的，H_SiO2SiO₂膜層厚度為20nm，折射率1.45。

進(jìn)一步的，L_SiO2SiO₂膜層厚度為95nm，折射率1.28。

進(jìn)一步的，入射介質(zhì)為空氣或真空。

一種制備具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的方法，采用電子束熱蒸發(fā)的方式將兩層薄膜膜逐層沉積到玻璃蓋片上，包括如下步驟：

(1)玻璃蓋片進(jìn)行清洗預(yù)處理；

(2)在玻璃蓋片上沉積第一層L_SiO2薄膜，采用傾斜沉積方式，蒸發(fā)源沉積方向與玻璃蓋片間的夾角為15°±2°，沉積第一層L_SiO2薄膜厚度為95±5nm，折射率位1.28±0.02，真空室內(nèi)無(wú)烘烤加熱；

(3)應(yīng)用光譜橢偏儀對(duì)沉積第一層L_SiO2薄膜在參考波長(zhǎng)下的物理厚度和折射率進(jìn)行測(cè)量；

(4)在第一層L_SiO2薄膜上沉積第二層沉積H_SiO2薄膜，采用正常沉積工藝方法，蒸發(fā)源方向與玻璃蓋片間的夾角為75°±2°，第二層沉積H_SiO2薄膜的厚度為20±1nm，折射率為1.45±0.01，真空室內(nèi)烘烤加熱至150℃，沉積過(guò)程中使用離子源進(jìn)行輔助沉積；

(5)應(yīng)用光譜橢偏儀對(duì)沉積第二層H_SiO2薄膜載參考波長(zhǎng)下的物理厚度和下折射率進(jìn)行測(cè)量；

(6)鍍膜完成后，應(yīng)用分光光度計(jì)測(cè)量玻璃蓋片在280nm～1800nm范圍內(nèi)的透射率曲線。

其中，蒸發(fā)源為SiO₂顆粒，步驟(3)和步驟(5)中的參考波長(zhǎng)為628nm。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：由于采用上述技術(shù)方案，制備的表面薄膜的主要材質(zhì)為SiO₂，不會(huì)因被高活性的原子氧氧化而變性，提升了表面薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，該薄膜是專為空間用抗輻照玻璃蓋片而設(shè)計(jì)的，材料折射率與玻璃蓋片形成良好的匹配，鍍膜后蓋片的透射率較高，有利于提高太陽(yáng)電池組件的工作效率。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)際制備的沉積了1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的MgF₂和SiO₂的玻璃蓋片的透射率曲線

圖2是本發(fā)明具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜結(jié)構(gòu)示意圖

圖3是本發(fā)明的傾斜沉積L_SiO2膜層示意圖

圖4是本發(fā)明的正常工藝沉積H_SiO2膜層示意圖

圖5是實(shí)際制備的沉積了1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的MgF₂玻璃蓋片和沉積了具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的玻璃蓋片的透射率曲線

圖中：

1、基片 2、玻璃蓋片 3、蒸發(fā)源沉積方向

4、蒸發(fā)源

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。

為了解決抗輻照玻璃蓋片表面MgF₂薄膜被LEO軌道中原子氧氧化變性的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的設(shè)計(jì)及制備方法，適合空間抗輻照玻璃蓋片用。其中，一種具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜，表面薄膜的設(shè)計(jì)采用組合膜層設(shè)計(jì)，包括H_SiO2和L_SiO2兩層薄膜，其結(jié)構(gòu)如下：AIR∣H_SiO2L_SiO2∣GLASS，如圖2所示，AIR為入射介質(zhì)，入射介質(zhì)為空氣或真空；H_SiO2為折射率1.45±0.01的SiO₂膜層，厚度為20±1nm；L_SiO2為折射率1.28±0.02的SiO₂膜層，厚度為95±5nm；GLASS為摻有二氧化鈰的玻璃蓋片。優(yōu)選的，H_SiO2SiO₂膜層厚度為20nm，折射率1.45。優(yōu)選的，L_SiO2SiO₂膜層厚度為95nm，折射率1.28。

利用氧化物制備玻璃蓋片表面反射膜可以避免出現(xiàn)被原子氧氧化的問(wèn)題，但常見(jiàn)的氧化物薄膜材料中折射率最低的是SiO₂，折射率為1.45。若利用正常工藝制備SiO₂減反射膜，其減反射膜效果將有所下降。如圖1所示，圖中給出了實(shí)際制備的沉積了1/4波長(zhǎng)光學(xué)厚度的MgF₂和SiO₂的玻璃蓋片的透射率曲線，在400nm～1100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)(該波長(zhǎng)范圍是硅太陽(yáng)電池的工作波長(zhǎng)范圍，同時(shí)也是三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的重要工作波長(zhǎng)范圍)二者的平均透射率分別為94.38％和93.65％。因此需要制備出低折射率的SiO₂薄膜，此種薄膜既不會(huì)被原子氧氧化而發(fā)生變性，而且與玻璃蓋片折射率相匹配，具有良好的透射效果。

該具有原子氧防護(hù)功能的表面薄膜的制備方法為采用電子束熱蒸發(fā)的方式將2層薄膜逐層沉積到玻璃蓋片上，包括如下步驟：

(1)玻璃蓋片2進(jìn)行清洗預(yù)處理；

(2)在玻璃蓋片2上沉積第一層L_SiO2薄膜，為了獲得低折射率的SiO₂薄膜，采用傾斜沉積方式，如圖3所示，蒸發(fā)源4沉積方向3與玻璃蓋片2間的夾角為15°±2°，即減小蒸發(fā)源4沉積方向3與玻璃蓋片2間的夾角，沉積第一層L_SiO2薄膜厚度為95±5nm，折射率為1.28±0.02，真空室內(nèi)無(wú)烘烤加熱。利用傾斜沉積方式沉積薄膜，能夠增加薄膜的孔隙度，從而降低薄膜的有效折射率；傾斜沉積時(shí)，真空室真空度為2.5×10^-3Pa。

(3)應(yīng)用光譜橢偏儀對(duì)沉積第一層L_SiO2薄膜在參考波長(zhǎng)下的物理厚度和折射率進(jìn)行測(cè)量；

(4)由于傾斜沉積獲得的L_SiO2膜層的孔隙度較大，為了使薄膜更加牢固，減少對(duì)雜質(zhì)氣體和水汽的吸附作用，在第一層L_SiO2薄膜上沉積第二層沉積H_SiO2薄膜，采用正常沉積工藝方法，如圖4所示，蒸發(fā)源方向3與玻璃蓋片2間的夾角為75°±2°，第二層沉積H_SiO2薄膜的厚度為20±1nm，折射率為1.45±0.01，真空室內(nèi)烘烤加熱至150℃，沉積過(guò)程中使用離子源進(jìn)行輔助沉積，該層薄膜主要起保護(hù)作用，保護(hù)第一層L_SiO2薄膜不被空間原子氧撞擊而造成表面開(kāi)裂、龜裂和局部燃燒及熔化等現(xiàn)象；預(yù)沉積時(shí)真空室真空度為3.0×10^-3Pa，介質(zhì)氣體為氬氣，離子能量為80eV，束流5A。

使用離子源輔助沉積時(shí)：惰性氣體被電離后形成離子，離子被電場(chǎng)加速后轟擊向玻璃蓋片2。離子轟擊給到達(dá)玻璃蓋片2的膜料粒子提供足夠的動(dòng)能，從而提高淀積粒子的遷移率，增加膜層聚集密度，填充膜內(nèi)空隙缺陷。(5)應(yīng)用光譜橢偏儀對(duì)沉積第二層H_SiO2薄膜在參考波長(zhǎng)下的厚度和下折射率進(jìn)行測(cè)量；

(6)鍍膜完成后，應(yīng)用分光光度計(jì)測(cè)量玻璃蓋片2在280nm～1800nm范圍內(nèi)的透射率曲線。如圖5所示，沉積了表面薄膜的玻璃蓋片2在400nm～1100nm范圍內(nèi)的平均透射率為95.11％，其透射效果優(yōu)于MgF₂蓋片的94.38％。

其中，蒸發(fā)源4材料為SiO₂顆粒，直徑為2mm～4mm。步驟(3)和步驟(5)中的參考波長(zhǎng)為628nm。

將表面薄膜制備到摻有二氧化鈰的玻璃蓋片上，此種玻璃蓋片在400nm-1800nm內(nèi)的平均透射率為92.2％，截止吸收波長(zhǎng)為330nm，制備的表面薄膜在400nm～1100nm范圍內(nèi)的平均透射率為95.11％，與玻璃蓋片形成良好的匹配，鍍膜后玻璃蓋片的透射率較高。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：由于采用上述技術(shù)方案，制備的表面薄膜的主要材質(zhì)為SiO₂，不會(huì)因被高活性的原子氧氧化而變性，提升了表面薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，該薄膜是專為空間用抗輻照玻璃蓋片而設(shè)計(jì)的，材料折射率與玻璃蓋片形成良好的匹配，鍍膜后蓋片的透射率較高，有利于提高太陽(yáng)電池組件的工作效率。

以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。