高折射率薄膜的化學(xué)法制備及多層反射膜的探索研究.pdf

1、溶膠-凝膠鍍膜法是目前常用于制備高折射率薄膜的新型技術(shù)。與傳統(tǒng)物理氣相沉積鍍膜法(PVD)相比，溶膠-凝膠法制備的高折射率薄膜具有易于控制的納米多孔結(jié)構(gòu)、可調(diào)的折射率、較高的激光損傷閾值等優(yōu)點(diǎn)。此外，溶膠-凝膠法鍍膜設(shè)備簡單、易于操作，可以在大尺寸以及各種形狀不規(guī)則的基底上進(jìn)行，成本低廉，適合工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。本論文基于溶膠-凝膠鍍膜工藝，研究了二氧化鉿(HfO2)以及二氧化鋯(ZrO2)溶膠的制備工藝，探討了制備過程中的各

2、因素對溶膠性能的影響，成功制備了具有納米多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鉿(HfO2)以及二氧化鋯(ZrO2)高折射率薄膜，對高折射率薄膜的微結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了表征，實(shí)現(xiàn)了高折射率薄膜的性能改進(jìn)和制備工藝優(yōu)化。在采用膜系設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行理論設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，探索研究高折射率薄膜在全介質(zhì)多層反射膜中的應(yīng)用。論文第1章介紹了本研究工作的研究背景、意義和現(xiàn)狀，介紹了溶膠-凝膠技術(shù)的歷史發(fā)展、化學(xué)過程、影響因素、優(yōu)勢和不足以及主要應(yīng)用，并重點(diǎn)介紹了幾種常用

3、的溶膠-凝膠鍍膜工藝的原理、操作和應(yīng)用現(xiàn)狀。論文第2章首先介紹了水熱法制備HfO2以及ZrO2溶膠主要化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。結(jié)合激光粒度分析儀以及透射電子顯微鏡，本章著重研究了水熱合成工藝參數(shù)包括合成時(shí)間、溫度、pH值、高壓釜的填充度以及前驅(qū)體濃度對溶膠形貌的影響，獲得了采用水熱合成法制備穩(wěn)定的HfO2以及ZrO2溶膠優(yōu)化工藝參數(shù)。通過對優(yōu)化工藝條件下制備的溶膠進(jìn)行顆粒度的表征，探討了溶膠在長期貯存中的穩(wěn)定性。通過分餾工藝，成功將H

4、fO2以及ZrO2水溶膠的溶劑替換乙二醇甲醚，降低了溶膠溶劑的表面張力。接著，本章介紹了以有機(jī)鹽為前驅(qū)體制備ZrO2溶膠的溶膠-凝膠工藝，分析了有機(jī)法制備的ZrO2溶膠的反應(yīng)機(jī)理，對溶膠進(jìn)行了表征和穩(wěn)定性分析。論文第3章詳細(xì)介紹了溶膠-凝膠法制備高折射率薄膜的工藝流程，重點(diǎn)分析了高折射率薄膜的理化特性。結(jié)合反射式掃描橢偏光譜儀以及紅外分光光度計(jì)，分析了鍍膜工藝、有機(jī)粘結(jié)劑聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的添加以及熱處理工藝對HfO

5、2以及ZrO2薄膜折射率的影響，成功實(shí)現(xiàn)高折射率薄膜折射率的調(diào)節(jié)。通過對HfO2以及ZrO2干凝膠粉體進(jìn)行熱失重分析與晶態(tài)分析，獲得了薄膜合理的熱處理溫度。結(jié)合采用原子力顯微鏡對HfO2和ZrO2薄膜進(jìn)行表面形貌表征，研究薄膜后處理工藝以及有機(jī)粘結(jié)劑的添加對薄膜表面形貌的影響，獲得了表面粗糙度Ra低于1nm的高折射率薄膜。通過研究有機(jī)粘結(jié)劑的添加、無機(jī)材料復(fù)合、熱處理工藝以及紫外輻照對高折射率薄膜抗激光損傷性能的影響，獲得了

6、提高高折射率薄膜激光損傷閾值的有效途徑，成功制備了激光損傷閾值超過40J/cm2(1064nm/10ns)的HfO2和ZrO2薄膜。最后，形成了溶膠-凝膠工藝制備HfO2高折射率薄膜的一般標(biāo)準(zhǔn)，為進(jìn)一步大規(guī)模工業(yè)化量產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。論文第4章以多層高反膜的膜系理論為基礎(chǔ)，利用軟件Essential Macloed對光學(xué)多層介質(zhì)反射膜作了理論設(shè)計(jì)：用packing density的概念模擬了多孔薄膜，實(shí)現(xiàn)了材料折射率的可調(diào)節(jié)；利

7、用反射率增幅分析與膜層制備難度分析Relative Sensitivity來選擇理想的膜系設(shè)計(jì)；通過計(jì)算分析了傳統(tǒng)的四分之一波長膜系的光學(xué)特性，包括薄膜的反射率曲線，膜層的駐波場分布，入射角變化對膜層反射率曲線的影響，鍍膜過程中的隨機(jī)誤差對膜層反射率曲線的影響；通過計(jì)算分析了非四分之一波長膜系的光學(xué)特性，包括高折射率膜層的光學(xué)厚度對薄膜反射帶分布的影響，對膜層駐波電場的分布的影響。論文第5章對化學(xué)法制備多層反射膜的工藝進(jìn)行了

8、探索。通過鍍膜工序以及熱處理方式的優(yōu)化，制備中心波長處反射率為98.5％的HfO2/SiO2多層反射膜。通過改善熱處理工藝、溶劑替換以及紫外光修飾等手段改善了多層反射膜的特性。研究了不同高、低折射率膜層匹配以及膜層疊加對多層反射膜性能的影響。最后，針對HfO2/SiO2多層反射膜與ZrO2/SiO2多層反射膜試驗(yàn)曲線與理論曲線的差異，采用膜系設(shè)計(jì)軟件Essential Macloed分別建立模型模擬膜層收縮、膜層折射率變化以