光电功能薄膜 光学薄膜的应用

薄
膜
气相传输
制
备
基板表面凝结
工艺因素 vs. 膜层性质 (PVD)
主要工艺因素
等效膜: 两种材料组成的pqp三层对称膜 等效于单一薄膜
合成膜: 两层膜 nL<n0<nH
基板材料
一) 玻璃 光学玻璃: 冕牌玻璃和火石玻璃 红外玻璃: 硫属红外玻璃Ge-As-Se 激光玻璃:铷玻璃
二) 晶体材料 GaN, Al2O3, Si
三) 光学塑料： 有机玻璃、聚苯乙烯
制备工艺因素
固体材料蒸发(溅射)
自由电子跃迁: 红外区 ---- 来自,k 增大, 反射率增大.相比于体材料，薄膜材料的n降低但k升高
金属薄膜
光线倾斜入射: k/n越小, Rs, Rp之间的分离越大. Rp: 极小值; 主入射角; (n2+k2)越大, 越接近90°.
金属薄膜
光波在金属中的传播: 指数衰减
I
I
e 4k d
0
/
Al, Ag, 可见区 k:3-7, d=100 nm, I=0.0004%I0; d~20 nm, I ~ 1/e I0;
3.ZnS 常用于可见区和红外区. 可见区: n=2.3-2.6; 红外区: n=2.2; 透明区: 0.38-14 m; 易分解.
4.TiO2 折射率高, 牢固稳定,可见和近红外区透明, 蒸发时因分解而失氧, 吸收增加.
5. ZrO2 折射率高, 牢固稳定, 吸收低; 折射率不均应性 (掺入某种金属或氧化物), 张应力大, 于某些光学玻璃发生
红外区: k增大, d=100 nm. 厚度大致 相当
金属膜的反射率与其测量方向有关.
几种常用金属膜的特性:
1. Al 反射率高(0.2 m-30 m), 对基板的附着力比较强, 机械强 度和化学稳定性也比较好. 波长0.85m处反射率出现最小值，86％
Al膜: 表面氧化Al2O3 （5~9nm） 反射率下降
Ge, PbTe, ZnS
和自由载流子吸收
紫外材料
400-200 nm: 有为数不多的几种高折射率材料; <200 nm: 没有透明的高折射率材料;
Al-MgF2 (110-200 nm紫外反射镜), 驻波场设计. 100-30 nm: 少数金属仍有一定的反射率. 30-1 nm (软x射线区,透视成像): n1, kH/kL 最大反射率.
4. Cr R/T=1, 吸收率40%,真空着色法
10-2~10-4pa, 9nm~30nm/s
光学性质不变
较高的基板温度
介质和半导体薄膜
一) 对材料的基本要求
(1) 透明度
1) A区: 短波吸收带(本征吸收区); 电子由价带跃迁到导带引起 光子能量h禁带宽度Eg 介质材料Eg大于半导体材料Eg
2) B区: 透明区; 杂质吸收.
保护膜
可见 SiOx 紫外MgF2
制备条件: 99.99%Al, 50-100 nm/min, <50°C, 限制蒸汽分子的入射角(颗粒).
2. Ag 反射率最高(可见区95%, 红外区99%，紫外4% (320 nm)) 对基板的附着力差, 机械强度和化学稳定性也不 好.
Ag膜暴露在空气中: 表面形成氧化银和硫化银;
光学薄膜的应用：材料和性质测量
光学薄膜材料
虽然可供使用的薄膜材料很多，但可考虑其
光学、化学稳定性、机械性能
易制备
常用的材料不多
金属材料 介质材料 半导体材料 有机材料
金属材料
Al, Ag, Au: 反射率高, 截止带宽, 偏振效应小; 吸收大. 可见区, Al: 9%. 金属膜的反射率 垂直入射, N=n-ik: 金属膜的复折射率, n:折射率, k: 消光系数.
保护方法：G/ Al2O3 -Ag- Al2O3 -SiOx/Air.
制备条件: 高真空, 快速蒸发, 低的基板温度.
3. Au 红外反射率高，常用作红外反射镜
在空气中化学稳定性好
对基板的附着力差, Ti (Cr)/Au. 金膜很软：Bi2O3 制备条件: 不严格, 30-50 nm/s, 100-150°C.
Au-C 30%反射率
任意折射率的薄膜
任意折射率的薄膜: 混合膜, 等效膜和合成膜
混合膜: 气相混合和固相混 合
气相混合: 几个蒸发 源同时蒸发几种不同折射率 的材料.
固相混合: 几种不同 折射率的材料按比例先混合, 用一个蒸发源蒸发.
Ag+Au,
混合膜制备 (1) 获得任意 折射率; (2) 改善膜层的特性.
=1+4Na, n= 1/2 经验
2) 波长 色散（其数值随波长而异）: n=f() 折射率随波长增加而单调减小,正常色散. 透明区.
3) 晶体结构 ZrO2 (无定形1.67, 立方1.94)
(3) 机械牢固度和化学稳定性
(4) 抗高能辐射
几种常用薄膜的性质 1. 冰晶石(Na3AlF6) 折射率低: 1.35; 应力小; 透明区: 0.2-14 m. 易于吸潮,易损伤, 用于与 ZnS组合制成胶合保护的干涉滤光片. 2.氟化镁(MgF2) 最常用光学薄膜材料之一. 折射率低: 1.38 (550 nm); 透明区: 0.12-10 m; 牢固. 应力大.
反应.
6. SiO2 折射率低n=1.46,透明区: 0.18-8 m, 牢固稳定, 吸收低, 结构精细(网络状玻璃
态).
7. Si 单晶硅，多晶硅，非晶硅
8. GaAs III-V族多元半导体 Al, Ga, In; N, P, As, Sb
有机材料
聚全氟乙丙烯
红外材料
0.76-50 m
晶格振动吸收 杂质吸收
自由载流子吸收; 半导体温度上升,自由载流子浓度增加, 吸收增大. 3) C区: 长波吸收带;
晶格振动吸收.
(2) 折射率
希望其数值是确定的和可重复的
1) 材料种类 由它的价电子在电场作用下的性质定. N和a分别为极化分子数和极化率.
材料外层价电子容易被极化-----折射率高 元素原子量增加-----折射率增加 离子性小------折射率高
r 1 (n ik) , R r 2 1 (n ik)
N=n-ik金属膜的复折射率: 电子结构有关
1 i 2 N 2 (n ik)2
: 复介电常数, 包含自由电子跃迁和束缚电子跃迁的贡献
f b
束缚电子跃迁: 出现在小于某一波长的区域内.
Ag: 紫外; Au, Cu: 可见区.