光学镀膜材料论文

光学镀膜材料研究

摘要：随着科学技术的发展进步，人们对于光学领域的研究越来越广泛。而光学镀膜技术又是光学研究中的重要课题。因此通过对光学镀膜材料的研究来促进光学镀膜的发展是亟待解决的难题。通过对于光学镀膜材料性质特点的研究，来寻求未来光学材料的发展研究方向以及促进光学镀膜技术的飞速发展，使之能够更好地为人类社会的进步做贡献。

关键字：光学镀膜材料发展

一、引言

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。随着近几年镀膜技术的发展，推动了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，并在我们的日常生活中发挥着重要作用。眼睛的保护膜、滤光膜、防紫外线膜；相机镜头保护膜、增透膜、增反膜；宝石上的膜层；汽车玻璃、幕墙玻璃的增反膜；光纤外壁反射膜等都在我们的生活中发挥着极其重要的作用。在我们的生活发生巨大变化的同时，我们也迫切需求光学镀膜技术的急速发展。因此对于光学镀膜材料的研究成为我们首要研究发展的课题。

二、光学镀膜材料的分类及特点

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。

（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：Al2O3、SiO、SiO2、TiO2、Ti2O3、ZrO2等

氟化物类：MgF2、BaF2、YF3、Na3AlF6等

其它化合物类：ZnS、ZnSe、PbTe等

金属（合金）类：Al、Cr、Ti、Ag、Al-Ti、Ni-Cr等

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AgCl2,WO3等）。

（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：离子键、共价键、金属键、分子键（或范德华键）。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1.46~2.7之间。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1.35~1.47之间，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。

（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、一般化合物（氧化物和氟化物）是粉末或团聚态，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，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TiO、ZrO、AlO等），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Ti3O5呈紫黑色，TiO为金黄色。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：

热还原法、物理汽相沉积（PVD）法、化学汽相沉积（CVD）法、液相外延生长法（LEC）、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（TiO2）的简易流程（见图1）。

四、典型镀膜材料介绍

（一）二氧化锆(ZrO2)

ZrO2是普遍采用的一种膜料，它具有较高的折射率、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折射率的不稳定，从而限制了它的广泛应用。

（二）钛氧化物系列（TiO2、Ti3O5、Ti2O3、TiO）

二氧化钛（TiO2）理论研究和镀膜实践均已证实，TiO2在高温，真空状态下

容易发生分解失氧或歧化反应：

TiO2 （高温真空）→TiO+ Ti2O3+ Ti3O5+……○

这一现象在TiO2镀膜锅底剩料中不难发现，其中各组份重新氧化成TiO2的条件是完全不一样的。它们氧化程度的不同，决定了成膜后TiO2膜对光吸收的大小。因此，直接用TiO2蒸发镀膜，工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TO2分解或歧化机理制成了TiO、Ti2O3、Ti3O5镀膜材料，可有效地替代TiO2镀膜。根据国内外目前对材料的镀膜结果测试，Ti3O5性能最为稳定，使用效果最佳。

（三）中折射混合膜料（C1膜料）

在镀膜实践中，现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＜1.60)和高折射率（n＞1.80）的材料较多，而折射率在1.60～1.80之间的高质量材料比较难找。我们根据罗伦茨—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（C1膜料）。

五、光学镀膜的应用

（一）隔热方面的应用

“隔热”是指对红外光区的有效阻隔。隔热膜一般是由PET基材复合而成的薄膜，带有的水溶性压敏胶，它能紧紧贴住玻璃碎片，当发生碰撞或敲打挡风玻璃时，玻璃碎片不会脱落飞溅。对此，专业的解释是隔热膜本身有多余3层的功能材料，厚度达到大于0.051mm，能承受国际标准97.1105磅的撞击测试。隔热膜又被称为防晒隔热膜，“防晒”是指能有效阻隔紫外线达90%以上。第三代产品运用了很多新技术，如“磁控镀膜”、“微米技术”、“纳米技术”、“航天科技”等，紫外线阻隔率提高到90%~100%左右，红外线阻隔率提高到30%~95%左右，胶的粘性更强，从而达到既降低膜的厚度又提高了防爆性能的效果. 隔热膜具有隔热、安全防爆、隔紫外线、防划伤、防眩光、增强私密性、清晰度高、绿色环保等特点。（二）相机镜头，眼镜的应用

镀膜常用在相机镜头、近视、远视、老花镜等矫正眼镜上使用。镀膜是在表面镀上非常薄的透明薄膜。目的是希望减少光的反射，增加透光率，抗紫外线并抑低耀光、鬼影；不同颜色的镀膜，也使的成像色彩平衡的不同。此外，镀膜尚可延迟镜片老化、变色的时间。现代镜头上的镀膜大而化之可以分成两种，一种叫增透膜，是增加光线透过率的，而另一种镀膜则是改变镜头的色彩光谱透过特性的，比如一支镜头种某一片镜片所用的光学材料虽然折射率等等指标很好，但却存在偏黄现象，那就给它镀上一层光谱遮断膜，把偏色纠正回来，而现在镀膜技术的发展已经可以补偿一些较为廉价的光学材料的不足之处，镜头的设计已经不必像过去一样使用昂贵的特殊配方光学玻璃来完成，所以新的镜头一般都是在每个镜片的空气接触面上都有多层镀膜的，这也从另一方面凸显了镀膜对于镜头的重要作用。

（三）宝石的修复及鉴定

宝石学中的优化处理和其鉴定方法一直是个热门话题,本义采用了全新的镀膜手段“高频溅射法”在多种宝石晶体表面镀上二氧化锆膜层,以此提高宝石表面光泽,同时修复宝石表面轻微划痕,并利用摩氏硬度法,反射率对比法和元素分析法(SEMEDS)对镀膜的宝石进行表面分析,表征宝石样品表面膜层的宝石学特性,其中包括膜层硬度、反射率(光泽强度)和元素组成。