对蓝宝石的减反射膜力学性能外文翻译

蓝宝石的减反射膜力学性能研究
1。

简介
光学表面的日常使用中暴露出其本身在机械性能中的不足，最终可能会破坏涂层。

通常的光薄膜的力学性能进行试验分别从大量的文献中得到了关于摩擦影响图层的资料。

像珍珠层的生物材料，纳米复合材料碳酸钙与不同的蛋白质，具有特殊的断裂韧性。

复合材料的力学性能可大大超过其本身单一成分，到目前为止这些方面还没有在光学设计等干扰涂料的领域实现。

但基本上有创建多个解决方案。

用指定的光学干涉涂层性能，可以实现不同的满足条件的涂层材料。

即使对于一个给定的涂层材料力学弹性。

光学涂层将选用很有弹性力学衬底材料蓝宝石。

另一方面，蓝宝石具有优秀的划伤和耐磨性，其应用如抗反射（AR涂层的光学薄膜。

在这研究了薄膜的力学行为，并模拟获得更多的信息，可用于在设计阶段优化的蓝宝石上的抗反射涂层的机械弹性。

关键参数的多层叠层总厚度和一个合理的层，已经实现的光学装置功能。

模拟是基于弹性理论。

他们研究的多层系统的弹性变形下，定义荷载引起的球形颗粒。

该软件允许它计算一个复杂的多层膜和完整的弹性场的评价，及它与单一纳米的空间分辨率。

输入值仿真力学参数，特别是杨氏模量（E）和屈服强度（Y,层材料的SiO2和HfO2。

HfO2已被实验确定为最有前途的一个持久的抗反射涂层的高折射率材料。

二氧化硅用的低折射率的材料。

AR涂层的唯一的耐2．实验
准备厚度为240 nm的单层涂层与力学性能优秀的SiO2和HfO2涂层材料。

制作了几个多层AR涂层为了比较不同的光学和机械性能。

所有涂层在莱宝apS-904准备装箱机，用等离子束辅助沉积（PIAD）放法。

这种镀膜室配备了先进的等离子源（APS和两个电子蒸发光束枪。

在沉积过程中的生长膜是致密的氩离子轰击下发出等离子体源。

确保致密层的APS的偏置电压保持在一个高
能量范围（130- 140 V）和沉积速度慢（0.2和0.5 nm / s ）的选择。

描述所使用的材料的机械性能几个压痕的测量，将使用一个执行价格纳米压痕仪（一ASMEC GmbH由于蓝宝石衬底遵守与均质弹性半空间假设，静态压痕与传统的奥利弗法尔分析（0P法）使足够的确定了杨氏模量。

模拟薄膜涂层的力学行为和确定的机械常数的涂层材料及filmdoctor 软件套件使用，为选择一个压头形状、材料和定义压头适用的涂层负载的模拟接触涂层做准备。

并基于此信息得到压力分布的计算，对涂层的力学行为计算。

涂料是指使用厚度，杨氏模量和泊松各个层的比例和基板。

完成弹性场（应力，应变和变形）的加载的涂料计算。

该模型采用的有效压头的概念和赫兹的方法扩展来创建一个解析的压力分布和任意的压头对称的革命。

用optilayer 软件包进行的设计不同的光学涂层。

它提供了必要的工具，以确定从一个光谱的涂层材料的光学常数单层涂层和计算的一个给定的光学性能多层叠加。

此外，它提供了几种合成与优化算法修改启动多层，光学性能匹配所需的目标函数。

这是可能在定义的范围内限制的某些层厚度变化。

涂层的耐刮擦性的特点是使用扫描划痕仪（岛津SST 101）。

本装置采用带有一个球形的头（10卩米直径的划伤钻石样品的表面）。

越来越多的正常负荷的范围内0至1000 MN的应用。

临界载荷是由失效的定义涂层，测量了样品的透射和反射光谱光度计（珀金埃尔默，入900）。

用于测量强度的精度超过
0.2%。

3。

结果与讨论
3.1。

模拟
SiO2和HfO2单层已沉积在蓝宝石PlADb这些样品被用来确定的杨氏模量材料的屈服强度。

这些样品形成一个分层而不是一个同质的一个运算的方法将半空间不正确的结果。

相反，“奥利弗和Pharr涂料”的filmdoctor 软件模块的使用。

它占已知的力学参数的蓝宝石衬底在计算薄膜的弹性模量。

在表1中
给出的值。

首先简化模型的材料和单层下考虑负荷。

图1显示的von米塞斯分布沿旋
转对称轴应力下，压头的不同的材料作为散装材料。

该材料的杨氏模量，下层是弹性变形在衬底和其发生的Von米塞斯应力。

此外，von米塞斯应力的最大深度以下衬底表面的材料，这个例子与负载的25 MN的von米塞斯最大的应力低于每种材料的屈服强度。

因此无塑性变形预计。

使用单层的例子，层厚度的影响上对应力分布进行了分析。

为了这个目的，SiO2厚度变化对蓝宝石衬底上薄膜的影响为25 MN压痕载荷。

图2显示的应力分布沿旋转对称下，压头轴线50 nm的薄膜，200 nm和1000 nm的厚度。

水平线标志的SiO2的屈服强度（5.1 GPA）,膜基界面深度。

薄膜厚度小于1000纳米von米塞斯应力超过屈服强度的二氧化硅。

更高的蓝宝石衬底的高刚度应力，只为SiO2层超过1000 nmthe弹性变形薄膜可以补偿基板的刚度。

一般来说。

在膜厚度的增加会减少von米塞斯应力的薄膜有较低的杨氏模量。

图3显示了 Von 米塞斯应力沿旋转轴下方的压头为两个不同的三层系统 [S
450L - 100h - 450L -] 。

一个使用二氧化铪(E = 134 GPA )作为高折射率材 料，其他的二氧化钛(E = 88 GPA )。

1000 nm 厚Si02单层添加参考。

由于较 高的杨氏模量的H 材料，在增加von 米塞斯应力。

二氧化钛的屈服强度低会导 致涂层的失效，HfO2高屈服强度不会造成在多层塑料变形。

一般用的材料高杨 氏模量也需要高屈服强度承受应力增加。

图4显示了一个示意图对于正常的应力 (TX 行为上的涂层的横截面。

von 米塞
斯应力的定义允许的唯一积极的价值观正应力的值可以是负的(压应力)
Z
< compressive stress
» tensile stress
< ----- c ompressive stress
图2
7
6
S
，
4
3
2 1,0
或阳性（拉应力）。

图5显示了正常的应力（TX 下，三种不同的三层系统的压 头。

在第一种情况下，HfO2嵌入在一个500纳米厚的二氧化硅层图4
[S-200L^50H-300L-AI
[S-500L-50H-500L-A1
[S.10OOL.5OW.flO0L.^
, , I , , n ■
1,0
图6显示了 von 米塞斯应力三组与150纳米厚度为600纳米的二氧化铪。

在第一个氧化铪是放置在顶部，第二它放在堆栈中第三个氧化铪是放置在底 部。

放置在顶部时，氧化铪暴露于低 Von 米塞斯应力，但SiO2层显示出高的 von 米塞斯应力。

当蜂房放置在堆栈在这层的 von 米塞斯应力增加中间。

由于 HfO2的高屈服强度仍然没有塑性变形的危险。

3.2 AR 的设计和实验结果
基于模拟计算是一个新的 AR 设计研究。

这五层涂层总厚度 637 nm 。

24.3% 总厚度为二氧化铪。

二氧化铪的主要部分放置略低于堆栈的中间。

本设计的仿 真软件的机械耐久性与其他 AR 设计比较。

第一个设计（w-coat ）是一种广泛使 用的标准的AR 涂层。

第二个设计（ar7_451）是一个7层AR 设计已被证明有一 个改进的耐刮擦性。

最终的设计（ar5_637）是新的，优化设计，使米塞斯和正 常应力的总厚度和HfO2层高Von 米塞斯应力。

对于折射率分布图7是在涂料。

0.5
■4
图8显示的von 米塞斯应力低于分布在这三个设计负荷的 15 MN 的压头。

该w-coat 显示出最高的计算应力远远超过屈服的 SiO2强度。

因此，涂层就已 经在一个较低的负荷情况下失败了。

该 ar7_451设计显示低应力。

在涂层中的 SiO2是受压力仍然超过屈服强度。

虽然这种设计与 w-coat 还是模拟负载的
15 MN 比还是失败。

但在ar5_637设计的von 米塞斯应力更低。

最大的在 SiO2 层应力不超过4.5 GPA 。

因此没有塑性变形预计负载。

tensile ■1 -3
Qp-A
上卫AR
一出虽上左AR®
虽4卫血
2 1111 12 1 1 1 I 12 1 t 1 1 1
■W -Coal AFt7_4&1
--- W-Coat
--- AA7 451
--- A 占 637
图9显示了正常的应力（T X为相同的接触情况。

作预计w-coat具有最强的
压缩应力，而设计ar7_451和ar5_637不正常应力。

它可以看出，两个较厚的设计在正常的显着的变化在一个SiO2/HfO2界面应力。

虽然这个变化使更明显的较厚的AR系统的应力始终保持在压缩机制。

这限制了界面上的应变相比在图5所示的模型并没有脱层是可以预料到的。

图10显示了具有背面校正残余反射的设计。

为增强的机械性能下权衡的a5_637设计是在AR的损失约100 nm带宽。

所有的设计具有良好的性能仍然AR 波长在
400-700nm。

图10
扫描的划痕试验结果证实了模拟结果。

该w-coat显示260± 8 MN为最低临界载荷。

ar7_451设计已经增加临界载荷为465± 14 MN。

设计出的ar5_637进一步增加到556± 16 MN临界载荷。

4。

结论
通过磨损或刮伤的机械磨损这成为了影响光学涂层使用寿命的重要因素。

一种基于模型扩展赫兹的方法，被用来计算完全弹性在荷载作用下，多层堆叠的领域。

而裂缝的形成是不被弹性模型，它是可能的评估的弹性变形，将系统的参数导致塑性变形。

AR系统优化需要一个最大的受力情况，使计算的弹性场的停留的非临界高载荷。

第一项研究已经表明，SiO2和HfO2的结合取得了比SiO2与其他组合弹性好，高折射率的氧化物。

主要原因是产量高的HfO2作为结果的模拟多层堆叠
一个应该比总厚600 nm更稳定薄或厚的涂层。

此外，实验结果表明，增加抗划伤的这种设计。

使较厚的氧化铪层应接近或略低于几何中心的设计。