红外窗口用二氧化硅/氧化钇增透膜的优化制备与评价

论文摘要

蓝宝石晶体具有优良的物理性能和化学性能,是目前中红外窗口较理想的材料。但是随着红外窗口向高马赫或更高马赫趋势的发展,在高温条件下,蓝宝石的强度急剧下降,红外透过率也满足不了使用要求。为了提高蓝宝石高温强度和红外透过率,在蓝宝石表面制备增透保护复合膜系是一条最有效的途径。SiO2薄膜具有优良的物理和化学性能,且与蓝宝石附着良好,适合用作提高蓝宝石高温强度的红外增透保护膜。Y2O3薄膜折射率比SiO2的稍大,可与低折射率的SiO2薄膜结合用作红外增透保护膜系中,但目前国内在这方面的研究还没有出现。本文主要研究蓝宝石衬底上增透保护膜系的设计,SiO2和Y2O3薄膜的制备工艺及其对薄膜结构、性能的影响规律,以及SiO2/Y2O3复合增透薄膜的总体评价。利用Essential Macleod光学模拟软件在蓝宝石衬底上设计了SiO2/Y2O3的增透保护膜系,并对所设计的膜系进行了结构敏感因子和结构偏差因子分析。结果表明,蓝宝石衬底镀SiO2/Y2O3增透保护膜系,在35μm波段的平均透过率大于99%,完全能够满足红外窗口的设计和使用要求。采用射频磁控溅射的方法在蓝宝石衬底上制备了SiO2和Y2O3薄膜,研究主要的工艺参数对薄膜沉积速率的影响,采用正交实验设计软件对工艺参数进行分析,并且确定了薄膜最大沉积速率的工艺参数。对所制备的SiO2薄膜和Y2O3薄膜进行了X射线光电子谱（XPS）、X射线衍射（XRD）分析、表面粗糙度分析（AFM）、扫描电子显微镜分析（SEM）、椭偏仪分析及退火处理。由XPS分析结果可知,薄膜中的Si、O、Y元素比接近标准氧化物比例。XRD结果表明,所制备的SiO2薄膜结构为非晶态。Y2O3薄膜低温下为非晶体状态,随温度升高开始结晶并在退火温度高于600℃会发生晶体结构转变。对镀膜后的蓝宝石进行红外透过率分析,镀膜后的蓝宝石红外平均透过率高于未镀膜的透过率。通过微米划痕仪的测试表明,SiO2/Y2O3复合增透膜系的膜基结合力进一步增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 提高蓝宝石高温强度的途径
• 1.2.1 热处理增加高温强度
• 1.2.2 中子光掺入法
• 1.2.3 镀膜方法
• 1.2.4 增加晶体缺陷提高蓝宝石压缩强度
• 1.3 增透保护薄膜的制备方法
• 1.4 二氧化硅和氧化钇薄膜性质
• 1.4.1 二氧化硅薄膜的性能
• 1.4.2 氧化钇薄膜的性能
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 薄膜的制备和表征
• 2.1 磁控溅射结构组成
• 2.2 工艺参数的选择
• 2.2.1 基本的工艺参数
• 2.3 工艺流程
• 2.4 薄膜表征方法
• 2.4.1 X射线衍射仪
• 2.4.2 X射线光电子能谱仪
• 2.4.3 扫描电子显微镜
• 2.4.4 原子力显微镜
• 2.4.5 椭偏仪
• 2.4.6 红外分光光度计
• 2.4.7 微米划痕仪
• 2.5 本章小结
• 第3章 膜系设计与优化分析
• 3.1 膜系设计的基本理论
• 3.2 蓝宝石衬底上增透保护膜系设计
• 3.2.1 理想的增透保护膜系设计
• 3.3 膜系结构评价
• 3.3.1 膜系敏感因子分析
• 3.3.2 膜系结构偏差分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 薄膜制备与优化结构分析
• 4.1 正交实验
• 4.2 薄膜粗糙度
• 4.3 薄膜光电子能谱测试结果与分析
• 2 薄膜XPS分析'>4.3.1 不同气体流量比下Si0₂薄膜XPS分析
• 20₃ 薄膜XPS分析'>4.3.2 不同气体流量比下Y₂0₃薄膜XPS分析
• 4.4 薄膜XRD测试结果分析
• 4.5 薄膜椭偏光谱分析
• 2 薄膜椭圆偏振光谱测试'>4.5.1 Si0₂薄膜椭圆偏振光谱测试
• 20₃ 薄膜椭圆偏振光谱测试'>4.5.2 Y₂0₃薄膜椭圆偏振光谱测试
• 4.6 复合薄膜表面形貌和断面形貌
• 4.7 本章小结
• 第5章 薄膜评价
• 5.1 薄膜的红外光学性能
• 5.2 膜基结合力分析
• 5.2.1 声发射强度表征
• 5.2.2 切向摩擦力变化表征
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢