CN105568227A - 一种同质双层氧化铪减反膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种同质双层氧化铪减反膜及其制备方法，属于光学薄膜技术领域。本发明在透明或半透明基底上依次沉积高折射率的致密氧化铪层和低折射率的多孔氧化铪层。两层氧化铪的折射率由电子束蒸镀的入射角度控制，厚度根据基底不同而调节。本发明采用电子束蒸镀方法，并且双层减反膜由同种材料制成，制备成本低、效率高。该双层氧化铪减反膜对于可见光范围内的多角度入射光均具有很好的减反增透能力，可用于降低窗板、触屏电极或液晶显示屏等表面的反射，具有广泛的应用前景。

Description

一种同质双层氧化铪减反膜及其制备方法

技术领域

本发明属于光学薄膜技术领域，特别涉及一种同质双层氧化铪减反膜及其制备方法。

背景技术

数码电子市场随着等离子体电视、液晶显示屏、便携式电脑屏幕和数字信息显示器的不断发展而迅速壮大起来。这些技术的发展都需要减反膜，来尽可能降低光学系统中由于不同介质之间折射率差异引起的反射现象。减反膜通过覆盖在基底之上，改变入射光原有的反射过程，进而有效地降低界面处的反射率。它可以增加光的透射率，防止眩光并降低表面亮度，从而提高图像质量和清晰度。

通常，减反膜可由湿法涂层法和真空沉积技术制备。湿法涂层法将非挥发性溶质溶于挥发性溶剂中，再将其涂覆在基底表面。随着溶剂的蒸发，基底表面留下非挥发性的减反溶质材料。湿法涂层法成本低，但材料没有标准化，制备过程易于引入杂质和灰尘，从而限制了湿法涂层法的工业应用。对于真空沉积技术，镀膜过程在真空腔中进行，避免了杂质和灰尘的干扰，沉积出的薄膜同质性好。同时，真空沉积方法可精确控制膜厚，还可通过调整沉积角度改变膜的折射率。因此，真空沉积技术在制备减反膜领域具有广阔的应用前景。

传统的减反膜是在透明或半透明的基底上沉积一层或多层减反层。通过对减反膜材料的选择和厚度控制，使光线最大程度地透过基底，最小程度地被反射。近年来，业界对于减反膜在更宽的入射角范围内的抗反射能力提出了更高的要求。为了达到这一目的，减反膜逐渐向着多层膜体系发展，并将不同材质和厚度的薄膜组合起来以获得更低的反射率。该领域最早的一个专利US2478385在玻璃基底上沉积中、高和低折射率的三层膜。另一个专利US343225公开了使用ZrO₂和MgF₂来制备包含四层的减反膜。

在实际应用中，减反膜中每一层的几何厚度相对容易控制，但能够满足折射率要求，并且能与其他膜层相匹配的材料并不多。为了得到多层减反膜，通常需要使用多种不同折射率的材料，或者经过多个步骤方能完成制备，过程相对繁琐。目前，大部分的制备技术很难实现多层减反膜的大规模制备，制备效率也很低。因此需要发展新的减反膜制备技术，提高多层膜的匹配度，简化多层膜的制备工艺，并实现大规模生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种同质双层氧化铪减反膜，该双层减反膜对于可见光范围内的多角度入射光均具有很好的减反增透能力，可用于多种显示器件。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种同质双层氧化铪减反膜，在透明或半透明的基底表面依次沉积致密氧化铪层和多孔氧化铪层，得到双层氧化铪减反膜；所述的致密氧化铪层和多孔氧化铪层在550nm参考波长处的折射率分别为1.85和1.367。

所述的多孔氧化铪层的孔隙率为72％。

所述基底采用石英片、BK7、SF5、LAK14、FTO或派莱克斯玻璃中的任一种，它们的折射率在1.45～1.95之间。

致密氧化铪层和多孔氧化铪层的厚度根据基底不同而调节，致密氧化铪层的厚度为125～145nm，多孔氧化铪层的厚度为85～95nm。

利用电子束蒸镀方法制备双层氧化铪减反膜的步骤为：在室温下，将基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机腔室抽至真空度为3×10^－4～5×10^－4Pa；调整电子束入射角为0°，沉积致密氧化铪层；再调整电子束入射角度为85°，沉积多孔氧化铪层。双层氧化铪沉积过程中样品台的转速为1～4rpm，沉积速率为0.35～0.5nm/s。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：该减反膜对于可见光范围内的多角度入射光均具有很好的减反增透能力。本发明采用物理气相沉积方法，并且双层减反膜由同种材料制成，可实现低价、高效率的减反膜制备。该发明制备的双层减反膜可用于降低窗板、触屏电极或液晶显示屏等表面的反射，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明的双层氧化铪减反膜的截面示意图。

其中：1-多孔氧化铪层；2-致密氧化铪层；3-基底。入射光在空气-减反膜界面、双层膜界面以及减反膜-基底界面处发生反射和透射。

图2：0°沉积的致密氧化铪层和85°沉积的多孔氧化铪层在不同波长的折射率n。

图3-a)、3-b)：致密氧化铪层的俯视和截面扫描电镜照片；图3-c)、3-d)：多孔氧化铪层的俯视和截面扫描电镜照片。

图4-a)：利用光学软件模拟的在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图4-b)：根据模拟结果，在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。

图5-a)：在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图5-b)：在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率；图5-b)的插图表示入射光的不同角度。

图6-a)：利用光学软件模拟的在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图6-b)：根据模拟结果，在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。

图7-a)：在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图7-b)：在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率。

图8-a)：利用光学软件模拟的在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图8-b)：根据模拟结果，在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。

图9-a)：在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率；图9-b)：在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率。

具体实施方式

本发明提供的一种同质双层氧化铪减反膜，是在透明或半透明的基底表面依次沉积有致密氧化铪层和多孔氧化铪层；所述的致密氧化铪层和多孔氧化铪层在550nm参考波长处的折射率分别为1.85和1.367。多孔氧化铪层的孔隙率一般为72％。所述基底采用石英片、BK7、SF5、LAK14、FTO或派莱克斯玻璃中的任一种，其折射率在1.45～1.95之间。致密氧化铪层的厚度大于多孔氧化铪层的厚度，厚度可根据基底不同而调节；致密氧化铪层的厚度一般为125～145nm，多孔氧化铪层的一般厚度为85～95nm。

本发明提供的制备方法，是首先利用光学软件模拟双层氧化铪减反膜的厚度和折射率，寻找最优化减反参数。随后，根据模拟计算，依次在基底上沉积高折射率的致密氧化铪层和低折射率的多孔氧化铪层，其中两层氧化铪的折射率由电子束蒸镀的入射角度控制，再根据基底材料的不同调节双层氧化铪的厚度。

其具体包括如下步骤：

1)在室温下，将基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机腔室抽至真空度为3×10^－4～5×10^－4Pa；

2)调整电子束入射角度为0°，沉积致密氧化铪层；再调整电子束入射角度为85°，沉积多孔氧化铪层；双层氧化铪沉积过程中样品台的转速为1～4rpm，沉积速率为0.35～0.5nm/s。

下面结合附图和实施例对本发明予以具体说明。下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

实施例1

1).利用光学软件模拟BK7玻璃基底上双层氧化铪减反膜的反射率，寻找最优化减反参数，使其在参考波长550nm处光垂直入射的反射率降至0；其中BK7玻璃的反射率是4.267％，在550nm参考波长的折射率为1.52；

2).根据模拟结果，利用电子束蒸镀在BK7玻璃上沉积双层氧化铪减反膜；

3).将干净的BK7玻璃基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；

4).在室温下，采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至真空度为3×10^－4Pa；

5).调整电子束的入射角为0°，基底旋转速率为1rpm，在样品台的基底上沉积134nm的致密氧化铪层，沉积速率为0.35nm/s；

6).调整电子束的入射角为85°，基底旋转速率为1rpm，在样品台的基底上沉积92nm的多孔氧化铪层，沉积速率为0.35nm/s。

图1为本发明的双层氧化铪减反膜的截面示意图。其中1为多孔氧化铪层，2为致密氧化铪层，3为基底。可以看到入射光在空气-减反膜界面、双层膜界面以及减反膜-基底界面处发生反射和透射。双层氧化铪的折射率从致密层到多孔层逐渐降低，直到进入入射介质空气中。

图2为电子束在0°沉积的致密氧化铪层和85°沉积的多孔氧化铪层在不同波长的折射率n。图3-a)、3-b)为致密氧化铪层的俯视和截面扫描电镜照片，图3-c)、3-d)为多孔氧化铪层的俯视和截面扫描电镜照片。氧化铪层的折射率取决于其孔隙率，具有大孔隙率的氧化铪层的折射率小。在参考波长550nm处，致密氧化铪层的折射率为1.85，多孔氧化铪层的折射率为1.367。

图4-a)为利用光学软件模拟的在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的反射率。图4-b)为在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。图5-a)为在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的实验反射率。图5-b)为在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率。图5-b)的插图表示入射光的不同角度。

在薄膜沉积中，多层减反膜的反射波发生干涉相消或增强取决于膜厚和边界处的相位变化。当光从折射率为n₀的介质A射向折射率为n的另一种介质材料，若入射光强度为I₀，振幅为A₀，反射光强度为Ir，振幅为Ar，介质材料的反射率为R，则有 $\frac{Ar}{A_0}=\left|\frac{n-n_0}{n+n_0}\right|,R=\frac{Ir}{I_0}={\left(\frac{n-n_0}{n+n_0}\right)}^2.$

在实例1中，基底材料BK7玻璃的折射率为1.52。双层氧化铪膜可产生三层反射光，在多孔氧化铪-空气界面的振幅为0.155，在致密氧化铪-多孔氧化铪界面的振幅为0.150，在BK7玻璃-致密氧化铪界面振幅为0.09。如图1所示，当参考波长为550nm的入射光垂直入射进入该双层氧化铪膜，一部分光穿过界面，发生透射，另一部分被反射回来，发生反射现象。由于是从非致密到致密的光学系统，反射光A在空气-多孔氧化铪界面将产生相位变化。剩余的光穿过多孔氧化铪膜，直至在多孔氧化铪-致密氧化铪界面再次发生透射和反射。此时一部分光B反射回来，也会发生相位变化。剩余的光将透过致密的氧化铪层，直至在致密氧化铪-玻璃界面发生透射和反射。此时一部分光C将发生反射。此部分光不会发生相变。如果定义负号表示180°相位变化，则空气-多孔氧化铪界面的波A的振幅为-0.155，多孔氧化铪-致密氧化铪界面的波B的振幅为-0.150，致密氧化铪-玻璃界面的波C的振幅为0.09。将这些振幅相加，得到振幅变化绝对值为0.21，平方得到在550nm参考波长处0.04％的反射率。参考波长处反射率的理论计算如表1所示.

表1:550nm参考波长处的反射率理论计算

表2为利用光学软件模拟和实验测量的在BK7玻璃上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射光反射率。可以看出，通过在BK7表面沉积双层氧化铪减反膜，该基底的反射率在可见光范围内从4.267％降至接近于0，且实验结果与模拟结果一致。

表2在BK7基底上沉积的双层氧化铪减反膜的反射率(％)

波长(nm)	400	450	500	550	600	650	700
								实验反射率(％)	0	0	0	0	0	0	1.08
模拟反射率(％)	0	0.62	1	0.62	0	0.38	1

同时，我们还分析了当不同波长的光从不同入射角度进入双层氧化铪减反膜的反射率。如图5-b)，在整个可见光范围内该减反膜的反射率小于1％，甚至在低于350nm或高于675nm波长时反射率也仅有4％，证明了该双层氧化铪减反膜的优异减反效果。

实施例2

1).利用光学软件模拟石英基底上双层氧化铪减反膜的反射率，寻找最优化减反参数，使其在参考波长550nm处光垂直入射的反射率降至0；其中石英的反射率是3.45％，在550nm参考波长的折射率为1.45；

2).根据模拟结果，利用电子束蒸镀方法在石英片上沉积双层氧化铪减反膜；

3).将干净的石英基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；

4).在室温下，采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至真空度为4×10^－4Pa；

5).调整电子束的入射角为0°，基底旋转速率为2rpm，在样品台的基底上沉积127nm的致密氧化铪层，沉积速率为0.45nm/s；

6).调整电子束的入射角为85°，基底旋转速率为2rpm，在样品台的基底上沉积87nm的多孔氧化铪层，沉积速率为0.45nm/s。

图6-a)为利用光学软件模拟的在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率。图6-b)为根据模拟结果，在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。图7-a)为在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率。图7-b)为在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率。

表3为利用光学软件模拟和实验测量的在石英片上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射光反射率。可以看出，通过在石英片表面沉积双层氧化铪减反膜，该基底的反射率在可见光范围内从3.45％降至接近于0，且实验结果与模拟结果一致。

表3在石英基底上沉积的双层氧化铪减反膜的反射率(％)

波长(nm)	400	450	500	550	600	650	700
								实验反射率(％)	0	0	0	0	0	0	0
模拟反射率(％)	0	0.62	1	0.62	0	0.38	1

同时，我们还分析了当不同波长的光从不同入射角度进入双层氧化铪减反膜的反射率。如图7-b)，在整个可见光范围内该减反膜的反射率小于1％，甚至在低于或高于可见光波长时反射率也仅有5％，证明了该双层氧化铪减反膜的优异减反效果。

实施例3

1).利用光学软件模拟FTO基底上双层氧化铪减反膜的反射率，寻找最优化减反参数，使其在参考波长550nm处光垂直入射的反射率降至0；其中FTO的反射率是9％，在550nm参考波长的折射率为1.9；

2).根据模拟结果，利用电子束蒸镀方法在FTO上沉积双层氧化铪减反膜；

3).将干净的FTO基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；

4).在室温下，采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机的腔室抽至真空度为5×10^－4Pa；

5).调整电子束的入射角为0°，基底旋转速率为4rpm，在样品台的基底上沉积145nm的致密氧化铪层，沉积速率为0.5nm/s；

6).调整电子束的入射角为85°，基底旋转速率为4rpm，在样品台的基底上沉积90nm的多孔氧化铪层，沉积速率为0.5nm/s。

图8-a)为利用光学软件模拟的在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率。图8-b)为根据模拟结果，在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的截面扫描电镜照片。图9-a)为在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射反射率。图9-b)为在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜在光的不同入射角度、不同波长下的三维反射率。

表4为利用光学软件模拟和实验测量的在FTO上沉积的双层氧化铪减反膜的垂直入射光反射率。可以看出，通过在FTO表面沉积双层氧化铪减反膜，该基底的反射率在可见光范围内从9％降至小于2％，且实验结果与模拟结果一致。

表4在FTO基底上沉积的双层氧化铪减反膜的反射率(％)

波长(nm)	400	450	500	550	600	650	700
								实验反射率(％)	0	0	0	0	1.2	0.5	2.0
模拟反射率(％)	2.0	0.5	0	0	1.5	2.0	2.5

同时，我们还分析了当不同波长的光从不同入射角度进入双层氧化铪减反膜的反射率。如图9-b)，在整个可见光范围内该减反膜的反射率小于1％，在700-800nm波长时反射率也仅有5％，证明了该双层氧化铪减反膜的优异减反效果。

Claims (5)

1.一种同质双层氧化铪减反膜，其特征在于，在透明或半透明的基底表面依次沉积有致密氧化铪层和多孔氧化铪层；所述的致密氧化铪层和多孔氧化铪层在550nm参考波长处的折射率分别为1.85和1.367。

2.按照权利要求1所述的一种同质双层氧化铪减反膜，其特征在于，所述的多孔氧化铪层的孔隙率为72％。

3.根据权利要求1或2所述的一种同质双层氧化铪减反膜，其特征在于，所述基底采用石英片、BK7、SF5、LAK14、FTO或派莱克斯玻璃中的任一种，它们的折射率在1.45～1.95之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种同质双层氧化铪减反膜，其特征在于，所述致密氧化铪层的厚度为125～145nm，多孔氧化铪层的厚度为85～95nm。

5.如权利要求1或2所述的一种同质双层氧化铪减反膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

1)在室温下，将基底固定在电子束蒸发镀膜机的样品台上；采用氧化铪为靶材，将电子束蒸发镀膜机腔室抽至真空度为3×10^－4～5×10^－4Pa；

2)调整电子束入射角度为0°，沉积致密氧化铪层；再调整电子束入射角度为85°，沉积多孔氧化铪层；双层氧化铪沉积过程中样品台的转速为1～4rpm，沉积速率为0.35～0.5nm/s。