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

6155. Коррекция психического развития 120.87 KB
  Учебное пособие посвящено актуальному направлению специальной психологии - коррекции психического развития, определены задачи, принципы и основные формы коррекции, а также цели коррекционной работы. Представлены основные понятия и категории пси...
6156. Методы расчета инструмента для прессования металлов 879.5 KB
  Дано описание и приведены методики расчета инструмента для прессования металлов и сплавов. Изложены современные методы расчета прочности основных деталей инструментальной наладки горизонтальных гидравлических прессов. Методика расчета каждой детали ...
6157. Расчет теплоэлектроснабжения предприятий автомобильного транспорта 967.82 KB
  Изложены методические указания по выполнению курсовой работы по дисциплине Энергообеспечение предприятий автомобильного транспорта. Приведены методы расчета часовых расходов теплоты предприятием по отдельным видам теплопотребления, суммарных часов...
6158. Моделирование процессов и объектов в металлургии 604.5 KB
  Моделирование процессов и объектов в металлургии Введение По мере развития технологии производства цветных металлов повышаются требования к качеству технологического процесса. В переработку поступает все более сложное, комплексное сырье, содер...
6159. Преподобный Феодосий Тотемский 26.5 KB
  Преподобный Феодосий Тотемский (память 28 января по старому стилю) Родился в Вологде около 1530 г. и был воспитан в благочестии и страхе Божием. Достигнув совершеннолетия, по настоянию родителей святой вступил в брак и имел дочь, но семейная жизнь ...
6160. Техническое обеспечение расследования поджогов, совершенных с применением инициаторов горения 1.39 MB
  Техническое обеспечение расследования поджогов, совершенных с применением инициаторов горения. Учебно-методическое пособие по техническому обеспечению расследования поджогов, совершенных с применением инициаторов горения, предназначено для обучения...
6161. Дослідження автогенератора 48.2 KB
  Дослідження автогенератора У даній роботі досліджується RC-автогенератор, який, звичайно, використовується для генерації коливань низької частоти. 1. Складові частини RC-автогенератора У загальному випадку автогенератор складається з підсилювача та ...
6162. Осциллографические измерения 320.5 KB
  Осциллографические измерения 1. Электронно-лучевой осциллограф Электронно-лучевой осциллограф (от латинского слова осциллум - колебание и греческого графо - пишу) или осциллоскоп (греч. скопео - вижу) - прибор, предназначен...
6163. Робота з симулятором машини Ноймана. Дослідження виконання машинного коду в автоматичному режимі 170.61 KB
  Мета: опанувати роботу на симуляторі машини Ноймана, зрозуміти і дослідити принцип виконання програми машиною Ноймана. Завдання: запустити симулятор, увести до нього коди машинних інструкцій і коди чисел, навчитися утворювати і змінювати ці ко...