15814

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ФТОРИДОВ И БИФТОРИДОВ

Научная статья

Физика

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ФТОРИДОВ И БИФТОРИДОВ Со времен своего возникновения технология изготовления многослойных интерференционных покрытий ИП занимающая целую отрасль в оптическом приборостроении претерпела значительные изменения. Современные средства...

Русский

2013-06-18

655.5 KB

28 чел.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ФТОРИДОВ И БИФТОРИДОВ

Со времен своего возникновения технология изготовления многослойных интерференционных покрытий (ИП), занимающая целую отрасль в оптическом приборостроении, претерпела значительные изменения. Современные средства откачки, прецизионные системы контроля толщины, позволяют получать пленки тех материалов, которые до недавнего времени еще не были освоены и дают возможность существенно расширить не только рабочий спектральный диапазон получаемых оптических покрытий, но и множество их спектральных характеристик.

Оптические свойства тонких пленок зависят от условий их получения и зачастую отличаются от известных справочных данных, приведенных для монокристаллов или массивных образцов. Очевидно, что для успешного изготовления  оптических  покрытий необходимо составление базы данных по используемым пленкообразующим материалам.

Наряду с изучением свойств оптических тонкопленочных систем, большие усилия  затрачиваются на поиски новых материалов для их реализации. Возможность варьировать не только толщину слоя, но и его показатель преломления является дополнительной степенью свободы при проектировании оптических покрытий. В этом смысле разработка технологии получения новых материалов в совокупности с созданием методов и средств получения тонких пленок этих материалов позволяет и в дальнейшем совершенствовать как технологию изготовления ИП, так и их эксплуатационные, спектральные и экономические характеристики. Поэтому, поиск новых материалов, а также работы по совершенствованию    технологии   получения   тонких   пленок  и   оптических покрытий на их основе являются актуальной и весьма перспективной, с позиции накопления новых знаний и опыта, областью исследований. Одним из наиболее широко распространенных пленкообразующих  материалов с низким показателем преломления в инфракрасной (ИК) области спектра являются: фторид бария, фторид иттрия, фторид тория, фторид магния и фторид кальция.  Реально все эти материалы имеют ряд недостатков. В связи с этим возникает важная задача – поиск новых пленкообразующих материалов с низким показателем преломления для  инфракрасной  области спектра. В работах  [1,2] обсуждаются возможности использования бифторидных соединений для  получения пленкообразующих материалов с улучшенными оптическими и механическими свойствами. Для улучшения оптических и механических характеристик пленок используются смеси фторидов. Это позволяет увеличить область прозрачности и снизить напряжения в пленках [3].

В настоящей работе исследовались оптические  пленки  в среднем ИК диапазоне спектра от 1500 нм до  9000 нм. Для решения поставленной задачи исследовались следующие пленки на подложках Si (кремний). В качестве пленкообразующих материалов использовались кристаллы BaF2, CaF2 и YF3, которые впоследствии являлись  основными компонентами бифторидных пленок: 90%BaF2+10%СaF2, 98%BaF2+2%MgF2, 67%YF3+33%СaF2, 67%YF3+33%BaF2. Мы не исследовали отдельно пленки MgF2, так как они имеют высокое напряжение и редко используются в ИК области спектра, кроме того их длинноволновая область спектра составляет 5 - 6 мкм. В таблице 1 приведены сравнительные свойства известных пленок.

Таблица 1. Сравнительные  характеристики  достоинств  и недостатков  материалов,  используемых  в  качестве  пленкообразующих материалов

Пленка

Достоинства

Недостатки

MgF2

Прозрачность в области 200–5000 нм.

Стабильность, твёрдость, хорошая адгезия.

Наличие высоких растягивающих напряжений.

Несовместимость с пленками веществ с растягивающими  напряжениями.

CaF2

Прозрачность в области 200 –10000 нм. Устойчивость к воде, солям, кислотам, щелочам. Нерастворимость. Пленки, изготовленные при Т>150°С твердые.

Пленки имеют очень высокие поглощения на 3000, 6000 и более 9000 нм.

YF3

Прозрачность в области 200 -12000 нм.

Нерастворимость пленки. Считается перспективным пленкообразующим материалом.

Обладают сильными полосами  поглощения на 3000 и 6000 нм, что затрудняет их использование в ИК диапазоне спектра. Обладают высоким  напряжением, что не позволяет использовать их при суммарных  толщинах в покрытии, большем 1000 нм.

BaF2

Используется в УФ, в видимом и ИК диапазоне. Область пропускания от 180 – 14000 нм.

Пленки неустойчивы на воздухе, так как обладают большой растворимостью.  

Пленки изготавливались методом термического испарения  с помощью электронно-лучевой пушки на установках ВУ - 2М и HochVakuum Drezden. Вакуум порядка 6*10-3 Па достигался при использовании масляно-диффузионных насосов. Оптическая толщина исследуемых пленок 16λ/4, испарение производилось из электроннолучевой пушки, скорость напыления 1.4 нм/сек, T=1700C, λ=1мкм.  Полученные покрытия прописывались на Фурье спектрометре. Оптические пленки, содержащие YF3 имели высокое напряжение что приводило  к их разрушению во время процесса напыления или после того как в камеру была запущена атмосфера. Чтобы пленки не разрушались, покрытия с YF3 напылялись толщиной 8λ/4, где λ=1мкм.

На рис. 1 приведен пример экспериментального спектра оптического покрытия BaF2. Спектры поглощения в тех областях, где поглощение было большим, определялось как:  А=1-Т-R. Из рис. 1 видно,  что спектр поглощения имеет 3 характерные полосы поглощения в областях 3, 9.1 и 16 мкм. Пик поглощения в области 3 мкм связан с присутствием воды в порах пленки (BaF2). Полосы поглощения  в Si  диапазоне  9.1 и 16 мкм  связаны с  присутствием атомов кислорода в подложке.

Рис. 1. Экспериментальный спектр BaF2

Для всех пленок рассчитывалась  относительная плотность q, которая определяется соотношением  плотности  пленки pf  к плотности массивного образца pm (монокристалла). Относительная плотность (коэффициент упаковки, коэффициент заполнения) связана с показателем преломления массивного образца  и пленки соотношением [1]:

                                                                                                                           (1)

где nf и nm показатели преломления пленки и массивного образца, т.е. монокристалла соответственно. Плотность упаковки определяет пористость пленки. Если q→1, то пленка  менее пористая и близка по оптическим и механическим свойствам к свойствам монокристалла, который  обладает большей влагостойкостью и механической прочностью.

В таблице 2 приведены результаты оптических констант на подложке Si исследованных пленок, т.е. определены коэффициенты преломления (n), коэффициенты поглощения (k) и рассчитана относительная плотность пленки.

Таблица 2.  Оптические константы исследованных  пленок

Длина волны,

нм

Материалы

YF3

BaF2

CaF2

90% BaF2+ 10% CaF2

98% BaF2+    2% MgF2

67% YF3 +      33% СaF2

67% YF3 +      33% BaF2

1

2

3

4

5

6

7

8

n

k

n

k

n

k

n

k

n

k

n

k

n

k

1500

1.405

0

1.255

0

1.250

0

1.295

0

1.330

0

1.500

0

1.415

0

2000

1.400

0

1.254

0

1.248

0

1.29

0

1.328

0

1.489

0

1.400

0

2500

1.39

0

1.252

0

1.246

2.0e-4

1.287

0

1.326

0

1.483

0

1.395

0

3000

1.365

0.050

1.251

0.003

1.244

0.0056

1.283

0.050

1.322

0.005

1.482

0.013

1.365

0.021

3500

1.365

0.006

1.251

0.002

1.244

0.0014

1.282

0.002

1.321

0

1.481

0

1.365

0.003

4000

1.365

0.002

1.251

0.002

1.244

0.0018

1.281

0.001

1.320

0

1.481

0

1.365

0.0025

4500

1.365

0.001

1.251

5.0e-4

1.244

0.0025

1.279

0

1.319

0

1.481

0

1.365

0.001

5000

1.365

0.001

1.250

0

1.244

0.0220

1.278

0

1.318

0

1.481

0

1.365

0.001

5500

1.365

0

1.25

0

1.243

0.0220

1.277

0.004

1.317

0

1.481

0.002

1.365

0

6000

1.365

0.030

1.250

0.004

1.243

0.0014

1.276

0.010

1.316

0.002

1.481

0.008

1.365

0.015

6500

1.360

0

1.250

0.004

1.243

0.0007

1.275

0.010

1.315

0.002

1.481

0.008

1.360

0.003

7000

1.350

0

1.250

0.007

1.243

0.000

1.275

0.016

1.315

0.003

1.481

0.009

1.360

0.003

7500

1.350

0

1.250

0.007

1.243

0

1.275

0.014

1.315

0.004

1.481

0.01

1.350

0.003

8000

1.340

0

1.250

0.070

1.243

0.001

1.275

0.013

1.315

0.005

1.481

0.013

1.340

0.006

8500

1.340

0.010

1.250

0.011

1.243

0.001

1.275

0.018

1.315

0.01

1.481

0.025

1.340

0.014

9000

1.340

0.010

1.250

0.010

1.243

0.001

1.275

0.05

1.315

0.012

1.481

0.035

1.340

0.100

q

0.649

0.455

0.501

0.516

0.543

0.854

0.687

  

Каждый пленкообразующий материал имеет свои недостатки. К ним относятся: неустойчивость к влажной атмосфере, мягкость, небольшой диапазон спектра пропускания в ИК области, высокие напряжения, наконец, радиоактивность. Наиболее длинноволновую область спектра пропускания среди  фторидов имеет фторид бария (BaF2).

В настоящей работе, мы исследовали смеси, которые предположительно имели  достоинства  пленок, рассмотренных в таблице 1, но с улучшенными оптическими и физико - механическими свойствами, т.е. невысоким напряжением, меньшими  поглощениями и достаточной твердостью.

Анализ результатов показывает (см. таблицу 2), что пленки бифторидов на основе иттрия имеют существенно меньшее поглощение, чем чистый YF3  и не разрушаются при толщинах, в несколько раз больших, чем пленки YF3. Лучшими свойствами  по сравнению с чистым YF3  обладают пленки из смесей 67%YF3 + 33%СaF2 и 67%YF3 + 33% BaF2 (см. таблицу 1 и рис.2,3). Они имеет более высокий показатель преломления, т.е. их можно использовать для зеркал, маленький показатель поглощения, и высокий коэффициент упаковки.

На рис. 2 и 3 приведены зависимости показателей преломления (n) и поглощения (k) от длины волны некоторых пленок. Из всех исследованных пленок, пленка BaF2 имеет минимальное поглощение (k) в диапазоне спектра до 15 мкм. Ее недостатком является сравнительно невысокая влагостойкость и минимальная из всех пленок твердость. К достоинству этих пленок следует отнести, что их можно использовать, как в УФ, так  и в видимом, и в ИК диапазонах.

Бинарные пленки фторидов на основе фторида бария не имеют высоких напряжений, негигроскопичны, обладают достаточной твердостью, а в некоторых случаях и меньшим поглощением (см. таблицу 2).

1 – пленка BaF2 ;                                                                                               2 – пленка   67% YF3 + 33% BaF2 ;                                                  3 – пленка  67% YF3 + 33% СaF2 .

Рис. 2. График зависимости показателей                           преломления (n) пленок от длины волны (λ)

1 – пленка BaF2 ;                                                                                               2 – пленка   67% YF3 + 33% BaF2 ;                                                  3 – пленка  67% YF3 + 33% СaF2 .

Рис. 3. График зависимости показателей                           поглощения (k) пленок от длины волны (λ)

В заключении, хотелось бы отметить, что были проведены исследования оптических пленок фторидов и бифторидов. Составлена база данных оптических констант – коэффициенты преломления и поглощения в диапазоне    1500-9000 нм. Исследования показали, что в этом диапазоне есть два перспективных пленкообразующих материала:                67%YF3 + 33%BaF2  и 67%YF3 + 33%СaF2. В отличие от известных фторидов и чистого YF3 они не имеет сильных полос поглощения, негигроскопичены, обладают хорошими механическими свойствами  и могут быть использованы в составе сложного покрытия в средней ИК области спектра.                  

Библиографический список

  1.  Якобсон, Р. Неоднородные и совместно напыленные однородные пленки для оптических применений / В кн.: Физика тонких пленок. - М.:  Мир, 1978. – Т.8.С. 61–108.
  2.  Котликов, Е.Н. Проблема снижения оптических потерь в пленках фторидов / Е.Н. Котликов, Е.В. Хонинева, В.Н. Прокашев. – СПб.: Оптический журнал, 2004. – Т.71. С.84-87.
  3.  Котликов, Е.Н. Исследование оптических свойств пленок легированных фторидов / Е.Н. Котликов, В.А. Иванов, Ю.А. Новикова, А.Н. Тропин, Ю.Н. Царев. – СПб.: Научный журнал Известия ГУАП №1, 2011. - С.117-122.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

29862. Факторный анализ динамики финансово-экономических показателей 14.31 KB
  факторный анализ динамики финансовоэкономических показателей Под факторным анализом понимается методика комплексного и системного изучения и измерения воздействия факторов на величину результативных показателей. Отбор факторов определяющих исследуемые результативные показатели. Классификация и систематизация факторов с целью обеспечения комплексного и системного подхода к исследованию их влияния на результаты хозяйственной деятельности. Расчет влияния факторов и оценка роли каждого из них в изменении величины результативного показателя.
29863. Бюджетное планирование и его совершенствование в современных условиях 12.84 KB
  Весь цикл управления процессами формирования распределения перераспределения и потребления бюджетных ресурсов осуществляется посредством бюджетного планирования объектом которого являются фонды денежных средств. Главной задачей реформирования бюджетного процесса является создание условий и предпосылок для максимально эффективного управления общественными финансами в соответствии с приоритетами государственной политики а следовательно и повышение эффективности бюджетного планирования. Одна из задач этой реформы заключается в смещении...
29864. Финансовый рынок его структура и место в системе экономических отношений 13.9 KB
  финансовый рынок его структура и место в системе экономических отношений Финансовый рынок рынок ссудных капиталов–это механизм перераспределения капитала между кредиторами и заёмщиками при помощи посредников на основе спроса и предложения на капитал. Финансовый рынок категория историческая. Финансовый рынок – это категория экономическая которая выражает экономические отношения по поводу реализации стоимости и с потребительской стоимости заключённой в финансовых активах. Как и любой другой финансовый рынок предназначен для установления...
29865. Порядок формирования и финансирования венчурных,инновационных и инвестиционных фондов 46 KB
  Фактически венчурное финансирование может быть охарактеризовано как источник долгосрочных инвестиций предоставляемых обычно на 5 7 лет предприятиям находящимся на ранних этапах своего становления а также действующим предприятиям для их расширения и модернизации. Отличие венчурного финансирования от других видов финансирования Источники финансирования Банки Стратегические партнеры Венчурное финансирование Инвестиции в акционерный капитал Кредиты Долгосрочныеинвестиции Рисковый бизнес Участие инвестора в управлении...
29866. Финансовый механизм предприятия 15.5 KB
  Рассмотрим более подробно один из методов финансового механизма финансовый анализ совершенствование которого позволит снизить расходную часть бюджета предприятия и повысить доходную. Финансовое состояние предприятия характеризуется совокупностью показателей отражающих процесс формирования и использования его финансовых средств. В рыночной экономике финансовое состояние предприятия по сути дела отражает конечные результаты его деятельности.
29867. Рынок ценных бумаг РФ: структура и основныек тенденции развития 28.63 KB
  Совокупность экономических отношений между его участниками по поводу выпуска и обращения ценных бумаг. Ценные бумаги в основе которых лежат деньги как капитал и которые опосредуют отношения связанные с движением денежного капитала образуют фондовый рынок как часть рынка ценных бумаг. Ценные бумаги опосредующие товарные отношения формируют рынок товарных ценных бумаг являющийся второй составной частью рынка ценных бумаг.
29868. Бюджетная система РФ 19.67 KB
  10 бюджетная система Российской Федерации состоит из трех уровней: Федерального бюджета и бюджетов государственных внебюджетных фондов; Бюджетов субъектов Российской Федерации региональных бюджетов и бюджетов территориальных государственных внебюджетных фондов; Местных бюджетов. Бюджетная система Российской Федерации включает: федеральный бюджет 21 республиканский бюджет республик в составе РФ 55 краевых и областных бюджетов и бюджеты Москвы и СанктПетербурга один областной бюджет автономной области 10 окружных бюджетов автономных...
29869. Бюджетный процесс и концепция его реформации 16.35 KB
  6 Бюджетного Кодекса РФ бюджетный процесс – регламентируемая законодательством Российской Федерации деятельность органов государственной власти органов местного самоуправления и иных участников бюджетного процесса по составлению и рассмотрению проектов бюджетов утверждению и исполнению бюджетов контролю за их исполнением осуществлению бюджетного учета составлению внешней проверке рассмотрению и утверждению бюджетной отчетности. Все стадии жестко регламентированы процессуальными нормами бюджетного права призванными обеспечить четкое...
29870. Инвестиции – вложения средств в промышленность, сельское хозяйство и другие отрасли экономики внутри страны и за границей в целях получения прибыли 15.64 KB
  Прямые инвестиции осуществляются с целью непосредственного управления объектом инвестиций через контрольный пакет акций или в иной форме контрольного участия.Портфельные инвестиции осуществляются в форме покупки ценных бумаг принадлежащих различным эмитентам и не обеспечивающих контрольное участие и прямое управление объектом инвестиций. Цель подобных инвестиций в отличие от прямых – получение прибылей от роста курсовой стоимости портфеля от созданных ими стабильных денежных потоков дивидендов процентов при диверсификации...