红外窗口用蓝宝石晶体Y2O3/SiO2增透薄膜的设计与制备研究

论文摘要

作为中红外窗口的最佳材料,蓝宝石拥有优异的物理性能及化学性能。鉴于目前国内单晶蓝宝石制备及加工的水平有限,以及蓝宝石高温下性能下降,未能达到实际窗口应用的要求。我们可以对其进行表面改性以提高蓝宝石在中红外波段的透过率。氧化硅薄膜（SiO2）由于与衬底附着性好,在红外波段具有较高的透过率;氧化钇（Y2O3）具有优良的抗氧化性能,在红外波段也可用作增透材料。因此本文结合氧化硅与氧化钇的优点把两者用作红外增透薄膜对蓝宝石进行表面改性以提高其红外透过率。本文利用光学设计软件Essential Macleod对薄膜厚度进行模拟设计,并得出计算结果。其理论计算得出:当氧化硅与氧化钇厚度分别为650nm和1120nm时,在3μm5μm波段的透过率为90%以上,基本上能够达到对蓝宝石增透的目的。使用磁控溅射仪在蓝宝石基片上制备SiO2和Y2O3增透膜。对所制备的薄膜进行X射线衍射分析表明,所得到薄膜为非晶态,在600度,800度及1000度下退火一小时以后发现薄膜有向结晶的趋势;对所制备的薄膜进行了X射线光电子能谱仪测试结果表明,薄膜中形成Si-O键,通过百分比计算得出基本上符合氧硅比例;对薄膜表面进行原子力表面分析表明衬底表面形成有空洞薄膜;对薄膜进行红外透过率分析表明,蓝宝石镀膜后在中红外波段比镀膜前有很大程度的提高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 单晶蓝宝石的制备与应用
• 1.3 光学增透薄膜的研究现状
• 1.4 增透膜的制备方法
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 红外增透膜系的理论研究与设计
• 2.1 引言
• 2.2 膜系设计的基本原理
• 2.2.1 麦克斯韦方程
• 2.2.2 波动方程的解
• 2.2.3 光学导纳
• 2.2.4 平面电磁波的反射和折射
• 2.3 增透保护膜系的优化设计方法
• 2.3.1 膜系优化设计基本原理及评价函数的构成
• 2.3.2 Essential Macleod光学设计软件简介及应用
• 2.4 增透膜系设计效果
• 2.5 本章小结
• 第3章 磁控溅射原理及试验参数优化
• 3.1 射频反应溅射基本原理
• 3.2 实验工艺参数的选择
• 3.3 实验工艺流程
• 3.4 本章小结
• 第4章 实验结果与分析
• 4.1 红外增透膜的结构分析
• 4.1.1 薄膜的XRD表征
• 4.1.2 薄膜的SEM表征
• 4.1.3 薄膜的AFM表征
• 4.2 红外增透膜的成分分析
• 4.2.1 薄膜的XPS分析
• 4.2.2 薄膜的EDX分析
• 4.3 红外增透膜的性能分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢