CN106646703B - 一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料 - Google Patents

一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，涉及红外反射膜材料领域，该材料是由HfN和Ag组成的HfN‑Agx膜，该HfN‑Agx膜具有HfN包含Ag的固溶体结构，Ag的含量为0.8‑3.8at.％，其制备方法为：选取硅片或玻璃基底作为衬底，将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，抽真空，设置磁控溅射参数，通入N2气和Ar气，在基底上沉积HfN‑Agx膜；该材料不但具有良好的红外反射性，还具有优异的耐久性，有望在高速固液粒子撞击、高温以及腐蚀液体气体存在的严苛环境下作为高红外反射耐久膜使用，也可应用在光学反射器件表面。

Description

一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料
技术领域
本发明涉及红外反射膜材料领域，具体涉及一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料。
背景技术
现代技术的飞速发展导致人们对于裸露在外的红外光学器件(例如光学反射镜)的反射涂层材料提出了极高的要求，不但要具有高红外反射率，而且要具有高耐久性(高硬度、耐磨损、耐腐蚀)，目前使用的反射镜涂层在某种程度上并不具有高耐久与高红外反射的优良性质，以目前最普遍使用的反射涂层铝为例，它有极高红外反射率，但同时也有低硬度、低熔点和易于腐蚀等较差的环境耐久性；再以反射涂层银为例，其具有比铝更为优异的红外反射性能和耐腐蚀性能，但同样具有低硬度、耐摩擦磨损性差等缺点，而且由于纯银的价格相对较高，其作为反射镜涂层的成本也相对较高；近年来，国内外的研究者尝试通过镀制介质保护膜(SiO2等)的方式来提高纯金属红外反射镜涂层的耐久性能，但结果并不理想，且合成薄膜的工艺复杂。
过渡金属氮化物如HfN具有高硬度、耐腐蚀和耐摩擦磨损等优良的耐久性能，但其红外反射性却远低于纯金属的红外反射性，因此，本发明通过制备一种新型银引入氮化铪膜材料，使得材料既具有高红外反射率又具有好的耐久性。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，使得该材料既具有高红外反射率又具有好的耐久性。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，所述HfN-Agx膜具有HfN包含Ag的固溶体结构，所述HfN-Agx膜中Ag的含量为0.8-3.8at.％。
优选的，所述HfN-Agx膜中Ag的含量为3.1at.％。
上述银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，采用磁控溅射法，步骤如下：(1)选取硅片或玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；(2)将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa；(3)通入N2气和Ar气，控制纯Hf靶和Ag靶的溅射功率，在基底上沉积HfN-Agx。
优选的，所述步骤(3)中纯Hf靶和Ag靶的溅射功率为：纯Hf靶采用直流电源，溅射功率为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率为20-80W。
优选的，所述步骤(3)溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度200℃，工作压强和偏压分别为1.0Pa、-160V，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，样品自转为5r/min，溅射时间60min。
本发明提供的一种银引入氮化铪膜的高红外反射耐久材料及其制备方法，其创造性在于解决了背景技术中涉及的技术难题，即如何解决高红外反射和高耐久不共存问题。
针对以上问题，本发明的技术方案没有使用昂贵、复杂的实验装置，而是通过第一性原理计算预测材料的结构性质，并通过实验合成了具有不同性质的HfN-Agx膜，然后根据薄膜不同的结构与性质提出了一套简单可行的技术方案，解决了上述问题。具体解决办法是：
从耐久性来说，需保持氮化铪岩盐结构不变，即形成固溶体；从红外反射率来看，为提高材料的红外反射率，则需增加材料的自由电子浓度，因为适当银的引入既可形成固溶体结构，又可提高红外反射率。因此，本发明选择银引入的氮化铪膜来解决高红外反射和高耐久不共存问题。为了提高红外反射，又要耐久，并要保持固溶体不变，经过大量理论和实验摸索发现最佳范围是Ag的含量为0.8-3.8at.％。
(三)有益效果
本发明提供了一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，其有益效果如下：
(1)将Ag引入到HfN膜中制备出HfN-Agx膜，由于Ag的引入使得薄膜的电子浓度增大，当Ag的含量为0.8-3.8at.％时，膜的综合性能达到最佳，在这个范围内，Ag与HfN以固溶体的形式存在，使得材料在具有高硬度、耐磨损和耐腐蚀等优良耐久性能的基础上，同时具有高的红外反射性，当Ag的引入量过少时，其红外反射率接近于纯HfN膜的红外反射率，远低于纯金属膜的红外反射率；当Ag的引入量过多时，其耐久性能接近纯金属膜，硬度、耐磨损、耐腐蚀性等耐久性能较差。
(2)该材料在4000-20000nm的红外波段范围内的红外反射率和平均反射率均接近Ag膜，其硬度和耐磨损性分别是Ag的25倍和10倍；其耐盐性和耐酸性分别是铝膜的5倍和4倍。
(3)该材料不但具有良好的红外反射性，还具有优异的耐久性，有望在高速固液粒子撞击、高温以及腐蚀液体气体存在的严苛环境下作为高红外反射耐久膜使用，也可应用在光学反射器件表面。
附图说明
图中1为纯银膜的反射率，2为制备出HfN膜的反射率，3为本发明所述HfN-Agx膜的反射率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，其中，Ag的含量为3.5at.％。
本实施例新型银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，步骤如下：(1)选取硅片作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗各20min；(2)将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，调整靶基距为70mm，抽真空至4×10-4Pa，衬底升温到200℃，纯Hf靶采用直流电源，溅射功率设为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率设为60W；(3)通入N2气和Ar气，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，工作压强和偏压分别是1.0Pa和-160V，样品自转为5r/min，在基底上沉积HfN-Agx膜，溅射时间60min。
实施例2：
一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，其中，Ag的含量为3.1at.％。
本实施例新型银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，步骤如下：(1)选取玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗各20min；(2)将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，调整靶基距为70mm，抽真空至4×10-4Pa，衬底升温到200℃，纯Hf靶采用直流电源，溅射功率设为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率设为50W；(3)通入N2气和Ar气，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，工作压强和偏压分别是1.0Pa和-160V，样品自转为5r/min，在基底上沉积HfN-Agx膜，溅射时间60min。
实施例3：
一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，其中，Ag的含量为0.8at.％。
本实施例新型银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，步骤如下：(1)选取玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗各20min；(2)调整靶基距为70mm，将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa，衬底升温到200℃，纯Hf靶采用直流电源，溅射功率设为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率设为20W；(3)通入N2气和Ar气，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，工作压强和偏压分别是1.0Pa和-160V，样品自转为5r/min，在基底上沉积HfN-Agx膜，溅射时间60min。
实施例4：
一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，其中，Ag的含量为3.8at.％。
本实施例新型银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，步骤如下：(1)选取硅片作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗各20min；(2)调整靶基距为70mm，将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa，衬底升温到200℃，纯Hf靶采用直流电源，溅射功率设为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率设为80W；(3)通入N2气和Ar气，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，工作压强和偏压分别是1.0Pa和-160V，样品自转为5r/min，在基底上沉积HfN-Agx膜，溅射时间60min。
综上，本发明实施例具有如下有益效果：
该材料不但具有良好的红外反射性，还具有优异的耐久性，有望在高速固液粒子撞击、高温以及腐蚀液体气体存在的严苛环境下作为高红外反射耐久膜使用，也可应用在光学反射器件表面。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，其特征在于，该材料是由HfN和Ag组成的HfN-Agx膜，所述HfN-Agx膜具有HfN包含Ag的固溶体结构，所述HfN-Agx膜中Ag的含量为0.8-3.8at.％。
2.如权利要求1所述的银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料，其特征在于，所述HfN-Agx膜中Ag的含量为3.1at.％。
3.如权利要求2所述的银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法，步骤如下：(1)选取硅片或玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；(2)将纯Hf靶和Ag靶放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa；(3)通入N2气和Ar气，控制纯Hf靶和Ag靶的溅射功率，在基底上沉积HfN-Agx。
4.如权利要求3所述的银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中纯Hf靶和Ag靶的溅射功率为：纯Hf靶采用直流电源，溅射功率为150W，纯Ag靶采用射频电源，溅射功率为20-80W。
5.如权利要求3所述的银引入氮化铪膜高红外反射耐久材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)溅射条件为：靶基距为70mm，衬底温度200℃，工作压强和偏压分别为1.0Pa、-160V，N2气流量为2.8sccm，Ar气流量为80sccm，样品自转为5r/min，溅射时间60min。
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