CN103556114B - 一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法，涉及一种滤光片。提供一种工艺简单、膜系设计简单、稳定性好的一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法。将基底清洗；以石墨为靶材，使用等离子束溅射法，在基底上进行真空镀膜，得碳基薄膜衰减滤光片。所制备的碳基薄膜滤光片的膜系简单，稳定性好，且制备工艺简单。碳基薄膜与基底的附着力高。在可见光波长范围内碳膜具有比较平滑的衰减，同时保证较低的反射率以抑制杂散光；在近紫外，碳膜具有较高的衰减，可以部分替代UV镜的功能保护感光元件。碳基薄膜的厚度可以通过控制射频线圈功率、靶材偏压、溅射沉积时间来实现。

Description

一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种滤光片，尤其是涉及一种采用等离子溅射法制备的碳基薄膜衰减滤光片及其制备方法。

背景技术

光衰减片是一种广泛应用于望远镜、照相物镜、摄影物镜等传统成像光学系统中的光学器件。光通信系统中的光衰减片按结构和原理大致可以分为位移型、薄膜型等类型（黄章勇,光纤通信用新型光无源器件.第2卷.2003:北京邮电大学出版社）。其中薄膜型衰减片一般是利用金属薄膜的反射和吸收实现对光的衰减，其结构紧凑，发展较为成熟。金属型衰减膜膜系结构单一，一般采用真空镀膜技术制备，成本较为低廉，但是一般用来制备衰减膜的金属，包括铝、铜、镍、铬等在可见光区域均具有较高的反射率，运用到成像光学系统中会引起比较严重的杂散光而影响成像质量。此外，干涉型介质膜也被用做衰减片，介质膜可以在实现衰减的同时保证较低的反射。利用干涉型介质膜制备的衰减膜虽然可以抑制反射，但是通常膜系结构会比较复杂，设计和制备成本较高。当膜层较厚时，膜内会产生较大应力；当基底较薄时，会改变基底形状，并且湿度、应力、光线入射角度均会对介质膜的光谱特性产生影响。

碳基薄膜材料在工业技术中扮演着越来越重要的角色。单质碳原子的成键形式一般为sp¹、sp²和sp³三种杂化轨道类型，其代表物质分别是碳白、石墨和金刚石。通过化学气相沉积（chemicalvapordeposition，CVD）或者物理气相沉积（physicalvapordeposition，PVD）获得的以sp²和sp³相为主的类金刚石薄膜等碳基薄膜具有很好的热、力、光电学性能（Chen,Z.,etal.,Bulkgrowthofmono-tofew-layergrapheneonnickelparticlesbychemicalvapordepositionfrommethane.Carbon,2010，48(12):3543-3550）。但是，根据现有技术（Reina,A.,etal.,Largearea,few-layergraphenefilmsonarbitrarysubstratesbychemicalvapordeposition.Nanoletters,2008，9(1):30-35），CVD是无法将碳膜直接沉积到SiO₂上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单、膜系设计简单、稳定性好的一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1）将基底清洗；

2）以石墨为靶材，使用等离子束溅射法，在基底上进行真空镀膜，得碳基薄膜衰减滤光片。

在步骤1）中，所述基底可采用玻璃片等；所述清洗可采用乙醇或乙醚等进行清洗。

在步骤2）中，所述石墨可采用纯度＞99.9%的石墨；所述真空镀膜的条件可为：在真空镀膜室中进行，真空镀膜室中的压力低于1×10^-6torr，真空镀膜时间5～30min。

本发明具有以下有益的技术效果：

（1）本发明所制备的碳基薄膜滤光片的膜系简单，稳定性好，且制备工艺简单。

（2）碳基薄膜与基底的附着力高。

（3）所制备的碳基薄膜衰减滤光片，在可见光波长范围内碳膜具有比较平滑的衰减，同时保证较低的反射率以抑制杂散光；在近紫外，碳膜具有较高的衰减，可以部分替代UV镜的功能保护感光元件。

（4）所制备的碳基薄膜的厚度可以通过控制射频线圈功率、靶材偏压、溅射沉积时间来实现。

附图说明

图1为等离子溅射镀膜机的原理图。在图1中，各标记为：1为真空镀膜室，2为等离子体发生装置，3为发射电磁线圈，4为偏转电磁线圈，5为镀膜盘，6为靶材托盘，7为氩气通气管，8为挡板。

图2为实施例1中K9玻璃基底和K9玻璃基底+碳膜的透射谱。曲线a为碳膜，曲线b为K9玻璃，曲线c为K9+碳膜。

图3为实施例1中K9玻璃基底和溅射沉积碳膜之后的反射谱。曲线a为K9+碳膜，曲线b为K9玻璃。

图4为实施例1中K9玻璃基底和碳膜+基底的拉曼谱。曲线a为K9玻璃+碳膜，曲线b为K9玻璃。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

作为本发明的其中一种具体实施方式，如图1所示，将K9玻璃片经过乙醇/乙醚清洗后置于镀膜盘6中，关掉挡板8，关闭真空镀膜室，将真空镀膜室的真空度抽至1×10^-6torr，通入氩气，待其稳定后打开离子体发生装置2以产生等离子体，并将功率设置为1.8kW，使真空镀膜室中产生等离子体，每隔10s提高靶材的偏压100V，加至600V后等待5min（即刻靶），当溅射稳定后，开始对K9玻璃进行镀膜，镀膜时间为300s。

本实施例得到的衰减滤光片，如图2所示，清晰地展示了碳膜的绝对透射率，同时画出了K9玻璃基底和K9玻璃基底+碳膜的透射谱。观察碳膜的绝对透射谱可以发现，沉积得到的碳膜对350～800nm波长范围内的电磁波具有平滑的衰减，且对长波的衰减较弱而对短波的衰减较强。

如图3所示，在波长350～800nm范围内，碳膜引起的反射是比较小的。碳膜对长波的反射较低而对短波的反射较高。

图4给出制备的碳膜和K9基底的拉曼谱图。可以看出，K9玻璃在沉积了碳膜后，拉曼谱出现了一个很大范围的包络，但是并没有出现任何明显的sp²和sp³的特征峰，这与目前发表的碳薄膜的文献有很大不一样。等离子束溅射沉积与CVD的物理过程相比是比较接近的。但是根据现有技术，CVD是无法直接在SiO₂上沉积到碳膜的。然而由图2和3可以判断，利用等离子束溅射确实可在玻璃基底上沉积到碳膜。由此推测造成上述现象的原因是因为在高射频功率、高偏压沉积条件下，等离子体轰击出来的碳原子的动能较大且连续轰击基底时间较长，渡越到基底后的入射深度较大，并有可能突破了和基底材料的结合势垒，与基底原子产生了化学键从而造成了异常的拉曼谱图。更进一步可以推测，沉积的碳薄膜具有很高的附着力。

通过上面分析，本发明沉积到的碳薄膜可以作为光衰减片用于成像光学系统。在可见光波长范围内碳膜具有比较平滑的衰减，同时保证较低的反射率以抑制杂散光；在近紫外，碳膜具有较高的衰减，可以部分替代UV镜的功能保护感光元件，降低紫外光对画质的影响。

实施例2

作为本发明的其中一种具体实施方式，如图1所示，将直径为25.4mm，厚度为3mm的K9玻璃片经过乙醇/乙醚清洗后置于镀膜盘6中，关掉挡板8，关闭真空镀膜室，将真空镀膜室真空度抽至1×10^-6torr，通入流量为70sccm的氩气，待其稳定后打开离子体发生装置2以产生等离子体，并将功率设置为1kW，使真空镀膜室中产生等离子体，每隔10s提高靶材的偏压100V，加至500V后等待5min（即刻靶），当溅射稳定后，开始对K9玻璃进行镀膜，镀膜时间为800s。镀膜结束后，等待0.5～1h，待真空镀膜室温度降低后，使用氮气冲开真空镀膜室，拿出镜片测量，实验结束。

实施例3

作为本发明的其中一种具体实施方式，如图1所示，将直径为25.4mm，厚度为3mm的K9玻璃片经过乙醇/乙醚清洗后置于镀膜盘6中，关掉挡板8，关闭真空镀膜室，将真空镀膜室真空度抽至1×10^-6torr，通入流量为80sccm的氩气，待其稳定后打开离子体发生装置2以产生等离子体，并将功率设置为2kW，使真空镀膜室中产生等离子体，每隔10s提高靶材的偏压100V，加至500V后等待5min（即刻靶），当溅射稳定后，开始对K9玻璃进行镀膜，镀膜时间为10min。镀膜结束后，等待0.5～1h，待真空镀膜室温度降低后，使用氮气冲开真空镀膜室，拿出镜片测量，实验结束。

本发明可以采用偏转等离子体溅射源来构成真空离子溅射镀膜装置以进行碳基薄膜的制备。等离子溅射镀膜机的原理图如图1所示，具体包括真空镀膜室1、位于真空镀膜室1侧壁的等离子体发生装置2、发射电磁线圈3和偏转电磁线圈4，其中发射电磁线圈3位于等离子体发射系统的端口，偏转电磁线圈4位于靶材托盘6下方，靶材托盘6采用转盘方式，根据需要，可一次放置4～8块平面圆靶材，辅助轰击离子源位于靶材托盘6侧面，离子源发射口正对基板旋转架，其中偏转等离子体溅射源采用一套射频等离子体发生装置2，该离子源可以产生初期的等离子体。若要发生溅射必须要有大量的高能等离子体轰击靶面，为此在等离子体发生装置2出口安装发射电磁线圈3来加速工作气体电离，形成高密度等离子体。为了克服传统磁控溅射中靶材利用率低的技术问题，本发明取消了靶材背面的磁铁，并在靶材周围引入一套偏转电磁线圈4。这样就可以通过该线圈来控制等离子体在靶材表面均匀分布，进而有效解决了磁控溅射磁场分布不均匀的问题。

需要指出的是，虽然等离子束溅射沉积与CVD的物理过程比较接近，但是根据背景技术的介绍可知，CVD是无法直接在SiO₂上沉积到碳膜的。然而本发明所采用的偏转等离子束溅射可以在玻璃基底上沉积到碳膜，这主要是因为：在较高射频功率沉积条件下,可以实现碳靶表面高通量的溅射等离子体密度，通过提高靶材偏压，又可保证溅射原子具有较高的轰击动能，在高的离子束流密度和高能量共同作用下，等离子体轰击出来的碳原子的动能较大且连续轰击基底时间较长，渡越到基底后的入射深度较大，突破了和基底材料的结合势垒，与基底原子产生了化学键。由于等离子体轰击出的碳原子与基底之间产生了化学键，因此沉积的碳薄膜具有很高的附着力。

Claims (3)

1.一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将基底清洗；

2)以石墨为靶材，使用等离子束溅射法，在基底上进行真空镀膜，得碳基薄膜衰减滤光片；所述石墨采用纯度＞99.9％的石墨；所述真空镀膜的条件为：在真空镀膜室中进行，真空镀膜室中的压力低于1×10^-6torr，真空镀膜时间5～30min。

2.如权利要求1所述一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述基底采用玻璃片。

3.如权利要求1所述一种碳基薄膜衰减滤光片的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述清洗采用乙醇或乙醚进行清洗。