透红外材料

1.1.4 脉冲激光沉积
脉冲激光沉积法（PLD）制备类金刚石膜是1985年 由Nage等首次首先提出并报道的。1999年， Dimam等通过对激光激发等离子体进行发射光谱研 究，分析了在不同波长激光激光照射下，等离子体 的状态以及SP3和SP2键形成的影响因素，得出采 用短波激光和较低的基片温度可以提高SP3键比率 的结论。同年，Yoshinolo 等首次尝试在纯氧气体 下用PLD法制备不含氢等杂质的金刚石（类金刚石） 薄膜并取得成功。2002年，刘晶儒也做了类似的报 道，发现飞秒脉冲沉积的碳膜SP3键含量比纳秒脉 冲沉积的高。这些研究极大地推动了PLD技术在制 备金刚石薄膜方面的进展。
1.1.2 溅射沉积
工业生产应用最多的制备DLC工艺是用溅射方法。 基本原理是在真空下电离惰性气体形成等离子体， 气体离子在靶上附加偏压的吸引下，轰击靶材，溅 射出碳离子并沉积到基片上。最通用的方式是Ar 等 离子体直流或者射频溅射的方法，由于石墨很小的 溅射区域和速率，通常用磁控溅射来提高沉积速率， 磁铁放置在靶材的后面使电子螺旋运动来增加它们 的运动路径以及增加等离子体的离化程度，由于离 子的轰击有助于SP3键的形成，磁场区域可以设置 成通过基片的，因此这就可以使Ar离子轰击基片来 形成非平衡磁场。
(3)掩膜 （4）磁介质保护膜 4.2.4 光学方面的应用 （1）增透保护膜 （2）光学保护膜 （3）装饰品 （4）光纤化学传感器 4.2.5医学方面的应用 （1）心脏瓣膜
（2）高频手术刀 （3）人工关节
红外透波材料的展望
对玻璃类红外材料，制备工艺简单，容易产
业化，对我国红外技术发展有利，正好可以 克服晶体红外材料的不足。二玻璃材料中硫 系玻璃目前被看做有可能代替单晶材料用于 热成像系统或红外窗口的红外材料，在国内 外把这种材料当做红外透波材料的研究都刚 刚起步，目前还迫切需要研究1-14um具有高 透过率，软化点高，对环境要求低，而且镀 膜产品直接能满足红外窗口，热成像仪所要 求硫系玻璃及相关技术。
3.2.2 等离子体化学气相沉积法 等离子体化学气相沉积法的基本原理是利用 气体放电使反应气体等离子化，分解出C、 CH、CH2和CH3等多种含碳性基团及原子氢， 从而在基片表面沉积出金刚石膜。根据放电 方式的不同，这类技术又分为直流等离子体 CVD、直流等离子体喷射CVD、高频等离子 体CVD、微波等离子体CVD、电子回旋共振 等离子体CVD和激光等离子体CVD法等。
电声领域是金刚石和DLC膜最早应用的领域，重点 是扬声器振膜。1986年，日本驻友公司在钛膜上沉 积DLC膜，生产高频扬声器，高频响应可达30KHz 随后，爱华公司推出DLC膜的小型高保真耳机，频 率响应范围为10-30KHz 4.2.3 电磁学方面的应用 （1）场发射平面显示器件 （2）太阳能电池
气相沉积、等离子体化学沉积、燃烧火焰化学气相 沉积等制备方法。 3.2.1 热丝化学气相沉积法 热丝化学气相沉积法（HFCVD)，也称热解化学气 相沉积。在由石英管或类似容器构成的真空反应室 上部水平安装以难熔金属材料如钨、钼等制成的灯 丝，并用直流或交流电源将灯丝加热到2000℃以上； 把用于沉积金刚石的基片置于热丝下方10mm左右 处，其温度控制在600-1100℃范围内；向真空室中 充入CH4等含碳气体和H2，并保证混合气体通过热 丝流向基片表面，混合的反应气体的压强控制在 101-104帕范围之内，这样在灯丝的高温作用下
1.1.3 阴极电弧沉积
在实验室研究与工业生产中，阴极电弧沉积均具有 一定的优势，电弧是由处于高真空状态下的石墨阴 极和一个碳探针轻敲电极以及收缩而产生的，这样 产生的高能量的等离子体的密度可以达到10e13 。 该方法首先是由Aksenov 等报道使用的，典型的阴 极电极电弧结构是由coll等发明的。该方法具有设备 简单、操作方便、沉积速率快、沉积温度低、膜/基 结合强度高，易于过度到工业化生产等优点。
三、透红外材料的制备
（一）金刚石膜
金刚石是一种很受欢迎的红外透波材料，自被发现以 来，气优异的物理化学性能就吸引了全世界的目光， 但由于天然金刚石的尺寸和形状不能达到在光学方 面的应用，因此早期研究一直局限在其力学性能等 方面。这是由于在晶体材料中金刚石是唯一一种在 7—15um综合透光性、导热性、强度、硬度、耐蚀 性都比较理想的红外透波材料适合高温和恶劣环境 使用。
1.2.1 直接光化学气相沉积
上世纪80年代初兴起的光CVD工艺，因其本 质上是利用光子来促进反应气体分解而沉积 的过程，所以成膜时无高能粒子辐射等问题， 基片温度降到了50℃左右，因而在低温成膜 方面颇引人入目。杜开英等首次创造性地以 微波激励Xc发射的真空紫外光为光源，乙炔 为反应气体，在120℃的低温下进行了碳膜的 生长，获得了较理想的效果。
（二）金刚石膜的制备
目前人们多采用低压气相沉积法制备金刚石膜， 低压气相法明显具有设备简单、能直接在金 刚石火非金刚石基体上生长金刚石膜等多种 优点。 低压气相合成金刚石技术可以分为下面三种类 型：（1）化学气相沉积（CVD） （2）物理气相沉积（PVD） （3）化学气相输运沉积（CVT）
根据激发方式的不同，CVD技术主要分为热丝化学
四、透红外材料的应用
透红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、 棱镜、调制盘、整流罩等不可缺少的材料， 各种透红外材料的主要用途如下表：
4.1 金刚石的应用
金刚石的各项性能都很完美，单晶金刚石作为飞机 耐高压红外窗口已有三十多年的历史了，但价格昂 贵，CVD多晶金刚石价格比单晶成本较低，而且也 可以用作UV探测器，热成像系统，飞机红外窗口， 红外头罩，透红外反射红外光学元件，既耐雨水颗 粒冲击，又耐高温腐蚀，使用性能很好，本来就可 以在700℃以下高温使用，有人又研究发现其表面 镀制ALN膜使其温度可提高到1000℃以上。
红外光学玻璃主要有以下几种：硅酸盐玻璃、铝酸
盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫属化合物玻璃。 氧化铝透明陶瓷不只是透过近红外，而且还可以透 过可见光。稀有金属氧化物陶瓷是一类耐高温的红 外光学材料，其中的代表是氧化钇透明陶瓷。 塑料也是红外光学材料，但近红外性能不如其他材 料，故多被用于远红外。 1.透红外晶体材料 2.玻璃材料 3.热压多晶材料 4.红外透明陶瓷 5. 透红外塑料 6.金刚石和类金刚石膜
二、透红外材料的分类
早期使用的是天然晶体如岩盐、水晶灯。后来随着
红外技术的发展，要求有更高质量的透红外材料， 目前已有单晶多晶、玻璃、陶瓷、塑料、金刚石和 类金刚石等许多品种。 单晶体主要有锗、硅半导体作为红外光学材料。硅 在力学性能和抗热冲击性上比锗要好得多，温度影 响也小，但硅的折射率高，使用时需要镀增增透膜， 以减少反射损失。另一类单晶体是离子晶体——碱 或碱土金属卤化物。
CVD金刚石膜相对其他红外材料具有十分优
异的物理性质，出了大约在3-5um位置存在 微小吸收峰外（由声子震动引起），从紫外 （0.22um）到远红外（毫米波段）整个波段， CVD金刚石膜都具有高的透过率，是大功率 红外激光器和探测器的理想窗口材料。CVD 金刚石膜的高透过率、高热导率、优良的力 学性能、发光特性和化学惰性，使它可作为 光学上的最佳应用材料。
1.2 化学气相沉积
化学气相沉积（CVD）是将气态物质一化学 反应生成某种固态物质并沉积到某种基片上 的一种化学过程。这种方法多采用来制备含 氢碳膜，气基本的原理是利用碳氢化合物， 如苯、甲烷、乙炔等在辉光放电或其他条件 下产生的等离子体中分解成为碳氢离子，同 时对基体施加负偏压，在负偏压作用下，这 些含有碳氢的离子团沉积到基体上形成碳膜。
透红外材料
制作者：范晓正 冯志强 曹卫红 张 博
透红外材料
一、透红外材料的介绍
二、透红外材料的分类 三、透红外材料的制备
四、透红外材料的应用
一、透红外材料的介绍
透红外材料始指对红外线透过率高的材料，对这些
材料的要求，首先是红外光谱透过率要高，短短波 限要低，透过频带要宽，一般红外波段是0.7-20um。 透过率定义与可见光透过率相同，一般要求在50% 以上，同时要求透过率的频率范围要宽。对透红外 材料的发射率要求尽量低，以免增加红外系统的目 标特征，特别是军用系统易暴露。 这些材料还要求温度的稳定性要好，对水、气体稳 定。
（1）类金刚石膜的制备方法
1.1物理气相沉积（PVD）是指在真空条件下，利用 某种物理过程，如物质的热蒸发火在受到粒子轰击 时物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源 物质到膜的可控转移的过程。 1.1.1 离子束沉积 它是把碳离子一离子形式输送到基板表面进行沉积。 碳离子束可由碳氢气体离化产生，也可以通过溅射 碳靶获得，即由惰性气体或反应气体的离子束轰击 靶材材料表面，溅射出的靶材粒子再沉积到衬底上， 形成DLC的过程
1.2.2 等离子体辅助化学气相沉积
等离子体辅助化学气相沉积法（PECVD）又称为辉 光放电现象，辉光现象不仅在薄膜材料的CVD制备 中得到应用，也是溅射法的基础。在辉光放电中， 并非所有的中性分子或原子都被电离，相反，被电 离的分子或原子所占比例小，最大不超过万分之一 左右。因而在压强为10Pa左右的直流辉光放电气体 中，离子和电子的密度只有大约10e11 。在整个放 电气体中，产生或消灭的电子数目总是与离子数目 相等，因而将放电气体中的种种反应统称为等离子 体的反应，将放电气体成为等离子体。
(三）、类金刚石膜
随着对金刚石的深入研究和广泛应用，金刚石的工业需求也 越来越广。但是由于制备金刚石的工艺条件比较难以实现， 因此渴望找到一种可以替代金刚石的 功能材料。1971报道 了用粒子束沉积方法制备了一种坚硬的碳膜。它的化学组成、 光学透过率、硬度、折射率和在化学腐蚀剂中的惰性以及抗 摩擦性能十分相似于金刚石。因此，把它称之为类金刚石膜 （DLC）。近30多年来人们对类金刚石的合成、制备及其性 质等方面进行了广泛和深入的研究，出现了物理气相沉积和 化学气相沉积，主要的沉积方法有：离子束沉积、溅射沉积、 阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、直接光化学气相沉积、等离 子化学气相沉积等。
气体将分解离化，产生出含碳基因的原子氢等，他 们的相互作用将促使构成金刚石的C-C sp3杂化键 形成从而在基片表面沉积出金刚石或金刚石膜。 HFCVD沉积系统的结构特点是装置简单，操作方便， 工艺特点是金刚石的生长速率较快，沉积参数范围 较宽，要求不严格，能获得质量较高、面积较大的 金刚石膜，便于实现工艺画生产，因此HFCVD法师 目前应用较多的一种方法。但对光学、电子应用的 金刚石膜的制备不合适。
3.2.3 燃烧火焰化学气相沉积法
燃烧是氧化还原反应，在谈情化合物气体预 先混入适当的氧气，燃烧时形成火焰，它分 为外焰（氧化焰）、内焰（还原焰）和焰心。 燃烧化学气相沉积就是利用氧-碳氢化合物燃 烧时火焰所产生的高温使火焰的内焰部分形 成一种类似于等离子体的环境，使反应气体 分子发生一定程度的离化，离解后的含碳基 团在原子氧的刻蚀作用下在基片表面沉积出 金刚石膜。
பைடு நூலகம்
4.2 类金刚石膜的应用
DLC膜具有优异的力学、电学、光学性能及 化学稳定性，制备技术日趋成熟，因而已在 许多方面获得了应用并不断拓展其应用领域。 根据类金刚石的性能，可分为： 4.2 .1机械方面的应用 （1）机械加工行业及耐磨件 （2）在橡胶和树脂材料上的应用
4.2.2声学方面的应用