CN110783157B - 一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜及其制备方法 - Google Patents

一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜及其制备方法。所述复合光学薄膜由增透膜与亲和膜共同组成，所述增透膜的材料是TiO2薄膜，亲和膜的材料是HfO2薄膜。本发明的制备方法首先在硼硅玻璃窗基底上制作复合光学薄膜；然后以具有复合光学薄膜的硼硅玻璃窗衬底制作多碱光电阴极，并将其封装成多碱光电阴极具有复合光学薄膜二极管；最后，测试该二极管的阴极灵敏度及光谱响应曲线，满足要求则完成制备。本发明的复合光学薄膜及其制备方法可达到光学上的增透效果，增加入射光子经玻璃窗透射进入多碱光电阴极的概率，从而使得更多的入射光子被多碱光电阴极吸收，由此提高多碱光电阴极对入射光子的光电转换效率。

Description

一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜及其制备方法
技术领域
本发明属于微光夜视领域，尤其涉及一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜及其制备方法。
背景技术
在微光夜视领域中，成像的核心器件是微光像增强器(以下简称像增强器)。像增强器性能的高低决定了微光夜视仪的性能高低。像增强器由像增强管和高压电源组成，而像增强管又由玻璃窗、光电阴极、微通道板(MCP)、荧光屏及光纤输出窗组成。其中，光电阴极是实现光电转换、将微弱光信号转换为电信号的关键部分，其光电转换效率的高低，即阴极灵敏度，在很大程度上决定了像增强器的性能高低。目前，超二代像增强器的光电阴极采用的是多碱光电阴极。
在传统的多碱光电阴极制作工艺中，是直接在玻璃窗(硼硅玻璃或石英玻璃)上利用蒸镀法制作多碱光电阴极，多碱光电阴极的基底材料是玻璃窗。由于多碱光电阴极材料本身的折射率较大(在550nm波长的折射率约为3.3)，明显大于玻璃窗的折射率(硼硅玻璃在550nm波长的折射率约为1.47，石英玻璃窗在550nm波长的折射率约为1.46)，因此光子入射到玻璃窗与多碱光电阴极的界面时，会产生显著的费涅耳反射。根据能量守恒定律，反射能量越多，进入多碱光电阴极的能量就越少，多碱光电阴极吸收的能量越少，阴极灵敏度越低。本发明提出了一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜，有效的增加了多碱光电阴极对入射光子的吸收，提高了多碱光电阴极的光电转换效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题：
本发明意在找到一种折射率介于玻璃(折射率n1)和多碱光电阴极(折射率n2)之间的光学薄膜材料(折射率n)，将其制作成适当厚度(d)的复合光学薄膜，作为一层增透膜，夹在硼硅玻璃窗(或石英玻璃窗)和多碱光电阴极之间，以达到光学上的增透效果、尤其是对波长λ的入射光子的增透效果，增加入射光子经玻璃窗透射进入多碱光电阴极的概率，从而使得更多的入射光子被多碱光电阴极吸收，由此提高多碱光电阴极对入射光子的光电转换效率。本发明还要解决所述应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法。
本发明的技术方案：
本发明提出的一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜，其特征在于，所述复合光学薄膜由增透膜与亲和膜共同组成，所述亲和膜夹在增透薄膜和多碱光电阴极之间，所述增透膜的材料是TiO2薄膜，厚度是30nm～340nm；所述亲和膜的材料是HfO2薄膜，厚度是5nm～20nm。
本发明的一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法，包括以下步骤：
首先，在硼硅玻璃窗基底上制作复合光学薄膜。包括：
第一步，在玻璃基底上制作TiO2增透膜；
第二步，在增透膜的基础上制作HfO2亲和膜。
然后，以具有复合光学薄膜的硼硅玻璃窗衬底制作多碱光电阴极，并将其封装(多碱光电阴极具有复合光学薄膜)。
最后，测试该具有复合光学薄膜的多碱光电阴极的灵敏度及光谱响应曲线是否满足相比于传统的多碱光电阴极能够有效提高阴极灵敏度的要求，若满足要求则完成制备。
所述制作TiO2增透膜和制作HfO2亲和膜的制作方法采用原子层沉积法。
本发明的有益效果在于，与传统多碱阴极相比，本发明先在玻璃窗上先制作复合光学薄膜，然后在复合光学薄膜上制作多碱光电阴极，由此来提高多碱光电阴极对入射光子的光电转换效率，提升像增强器的性能。本发明的制备方法简单易行，具有较好的推广价值。
附图说明
图1：传统多碱光电阴极构成示意图。
图2：应用了本发明的复合光学薄膜的多碱光电阴极构成示意图。
图3：本发明的制备方法流程图。
图4：有无本发明的复合光学薄膜的多碱光电阴极光谱响应曲线对比图。
图例说明：1—玻璃窗；2—多碱光电阴极；3—复合光学薄膜；4—增透膜；5—亲和膜。
具体实施方式
本发明意在找到一种折射率介于玻璃(折射率n1)和多碱光电阴极(折射率n2)之间的光学薄膜材料(折射率n)，将其制作成适当厚度(d)的光学薄膜。
作为一层增透膜，夹在硼硅玻璃窗(或石英玻璃窗)和多碱光电阴极之间，当满足光学增透的条件式(如下面的(1)和式(2))时，就可以达到光学上的增透效果、尤其是对波长λ的入射光子的增透效果，增加入射光子经玻璃窗透射进入多碱光电阴极的概率，从而使得更多的入射光子被多碱光电阴极吸收，由此提高多碱光电阴极对入射光子的光电转换效率。
n2＝n1·n2 (1)
2nd＝(m+1/2)λ (2)
式中：m＝0,1,2…
由已知的玻璃折射率n1(硼硅玻璃约1.47，石英玻璃约1.46)和多碱光电阴极折射率n2(约3.3)，再根据式(1)的推算可知，合适的光学增透膜的折射率n应约为2.2。而TiO2薄膜在400nm～960nm波长范围内，其折射率恰好约为2.2，非常满足折射率的要求，可以作为此种情况下的光学增透膜。
另一方面，根据式(2)的推算可知，一定的增透膜厚度d，对应着一定的增透的波长λ；通过调节增透膜的厚度d，就可以实现对相应的增透波长λ的调节。从而可以更灵活的根据用户需求，设计特定厚度的增透膜，实现对特定波长范围的增透作用，进而提高阴极对该波长光子的光电转换效率，提升像增强器的性能。
然而，根据实践的发现，多碱光电阴极与TiO2薄膜的亲和性很差，多碱光电阴极根本无法在TiO2薄膜基底上直接生长，因此单独的TiO2薄膜并不能为多碱光电阴极成功发挥增透作用。
因为多碱光电阴极与TiO2增透膜的亲和性不佳，无法在TiO2薄膜基底上直接生长多碱光电阴极，可以设计一种厚度较薄的亲和膜，夹在TiO2增透薄膜和多碱光电阴极之间。亲和膜的作用是，利用其与多碱光电阴极以及TiO2薄膜均具有良好的亲和性，为多碱光电阴极生长提供新的更佳的衬底材料，使得多碱光电阴极可以直接生长在TiO2薄膜表面的亲和膜上、而非原来的TiO2薄膜，从而间接实现生长在TiO2薄膜上；亲和膜厚度较薄是为了避免亲和膜本身产生明显的光学效应，使亲和膜只起到材料亲和作用。利用这种特殊的增透膜加亲和膜的复合膜层设计，才能实现具有光学增透效果的多碱光电阴极制作成功。
选择HfO2薄膜作为这种亲和膜，因为HfO2薄膜既与TiO2增透膜具有较好的亲和性，又与多碱光电阴极具有较好的亲和性。因此，设计由增透膜与亲和膜组合成一种复合光学薄膜，前者起光学增透作用，后者起材料亲和作用，两者共同作用下才能提高多碱光电阴极的光电转换效率，两种薄膜缺一不可。
如附图2所示，多碱光电阴极所探测光子的光路径是：光子首先入射到玻璃窗中传导，然后进入增透膜，再穿过很薄的亲和膜，最后进入多碱光电阴极发生光电转换，生成光电子。复合光学薄膜与多碱光电阴极的位置关系是：沿着光子路径的方向，首先是增透膜生长在玻璃窗之上，然后是亲和膜生长在增透膜之上，最后是多碱光电阴极生长在亲和膜之上。
首先，在硼硅玻璃窗基底上制作复合光学薄膜。制作TiO2增透膜和制作HfO2亲和膜的制作方法是原子层沉积法，因为原子层沉积法制作的薄膜具有致密性，而且亲和膜与增透膜的亲和性好，这就能使得增透膜和亲和膜之间紧密接触、均匀生长；此外原子层沉积法制作的薄膜还具备大面积均匀性好、精确的膜厚控制等特点。制作设备是Picsun公司生产的R200型原子层沉积设备。第一步，在玻璃基底上制作TiO2增透膜：采用TiCl4和H2O分别作为Ti和O的前躯体源，使用高纯度的氮气作为运载气体，TiO2薄膜的ALD脉冲每个周期的沉积顺序为TiCl4脉冲时间0.2s，吹扫时间5s，H2O脉冲时间0.2s，吹扫时间5s，总周期数为4300，原子层沉积腔室温度为220℃。第二步，在增透膜的基础上制作HfO2亲和膜：采用四甲乙胺铪和H2O分别作为Hf和O的前躯体源，使用高纯度的氮气作为运载气体，HfO2薄膜的ALD脉冲每个周期的沉积顺序为四甲乙胺铪脉冲时间1.4s，吹扫时间5s，H2O脉冲时间0.2s，吹扫时间5s，总周期数为100，原子层沉积腔室温度为220℃。实测TiO2增透膜厚度为d＝223nm，HfO2亲和膜厚度为13nm。
然后，以具有复合光学薄膜的硼硅玻璃窗以及没有光学膜层的普通硼硅玻璃窗两种衬底，在相同环境中，同时制作多碱光电阴极。为便于测试其灵敏度，将两者封装成二极管，分别对应为1#二极管(多碱光电阴极具有复合光学薄膜)和2#二极管(多碱光电阴极没有光学薄膜)。最后在相同条件下测试两支二极管的阴极灵敏度及光谱响应曲线。测得1#二极管的阴极灵敏度为807μA/lm、2#二极管的阴极灵敏度为705μA/lm，由此可见复合光学薄膜可以有效提高多碱光电阴极的灵敏度。另外，两支二极管的光谱响应曲线如图4所示，由图4可知：1#二极管与2#二极管的光谱响应曲线有显著的差异，相比于2#二极管的光谱响应曲线在550nm-850nm波长范围内近似平坦分布，1#二极管的光谱响应曲线在此波长范围内出现了明显的峰形分布，峰值在655nm波长处；1#二极管尤其在655nm波长附近的辐射灵敏度显著高于2#二极管的辐射灵敏度。
其中，根据式(1)、式(2)，和已知的TiO2增透膜折射率n＝2.2、TiO2增透膜厚度d＝223nm，可从理论上推算出λ＝4nd/(2m+1)，在m＝1时，光学增透的波长λ＝653nm，与实测光谱响应曲线波峰655nm非常吻合。由此也证实了TiO2增透膜对于多碱光电阴极的响应曲线的影响，可以显著的增加多碱光电阴极对于一定波长范围的入射光子的吸收，有效提高阴极灵敏度。

Claims (7)

1.一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜，其特征在于：
所述复合光学薄膜由增透膜与亲和膜共同组成，所述亲和膜夹在增透薄膜和多碱光电阴极之间；
所述增透膜的材料是TiO2薄膜，厚度30nm～340nm；
所述亲和膜的材料是HfO2薄膜，厚度5nm～20nm。
2.根据权利要求1所述的应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜，其特征在于：
所述增透膜的厚度为223nm。
3.根据权利要求1或2所述的应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜，其特征在于：
所述亲和膜的厚度为13nm。
4.一种应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
首先，在硼硅玻璃窗基底上制作复合光学薄膜，分二步：先在玻璃基底上制作TiO2增透膜，再在增透膜的基础上制作HfO2亲和膜；
然后，以具有复合光学薄膜的硼硅玻璃窗衬底制作多碱光电阴极，并将所述的具有复合光学薄膜的多碱光电阴极封装；
最后，测试所述的具有复合光学薄膜的多碱光电阴极的灵敏度及光谱响应曲线是否满足相比于直接在玻璃窗上利用蒸镀法制作的多碱光电阴极能够有效提高阴极灵敏度的要求，若满足要求则完成制备。
5.根据权利要求4所述的应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法，其特征在于：
所述制作TiO2增透膜和制作HfO2亲和膜的制作方法采用原子层沉积法。
6.根据权利要求5所述的应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法，其特征在于，所述的在玻璃基底上制作TiO2增透膜步骤具体为：
采用TiCl4和H2O分别作为Ti和O的前躯体源，使用高纯度的氮气作为运载气体， TiO2薄膜的ALD脉冲每个周期的沉积顺序为TiCl4脉冲时间0.2s ，吹扫时间5s，H2O 脉冲时间0.2s，吹扫时间5s，总周期数为4300，原子层沉积腔室温度为220℃。
7.根据权利要求5所述的应用于多碱光电阴极的复合光学薄膜的制备方法，其特征在于，所述的在增透膜的基础上制作HfO2亲和膜步骤具体为：
采用四甲乙胺铪和H2O分别作为Hf和O的前躯体源，使用高纯度的氮气作为运载气体，HfO2薄膜的ALD脉冲每个周期的沉积顺序为四甲乙胺铪脉冲时间1.4 s，吹扫时间5s，H2O脉冲时间 0.2 s，吹扫时间5s，总周期数为100，原子层沉积腔室温度为220℃；实测TiO2增透膜厚度为d=223nm，HfO2亲和膜厚度为13nm。
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