CN113056183A - 一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗 - Google Patents

一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗 Download PDF

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Abstract

一种基于介质‑超薄掺杂金属‑介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗属于光学透明件电磁屏蔽领域。该光学窗利用共掺杂沉积方法在超薄厚度条件下得到表面连续、粗糙度极低的高质量掺杂金属膜。并进一步利用透明导电的介质‑超薄掺杂金属‑介质取代传统的金属材料制作网栅结构，大幅提升可见光波段的透光率，并相对于金属网栅结构，抑制了其可见光波段的强光学衍射效应，解决高级次衍射能量分布集中带来成像质量退化的问题。同时开孔状的网栅结构增强了红外波段金属薄膜的通透性，扩展了金属薄膜在红外波段应用的范围。

Description

一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光 学窗
技术领域
本发明属于光学透明件电磁屏蔽领域，特别涉及一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗。
背景技术
从广播、电视、雷达、卫星通讯与导航、移动通信到无线定位、医疗诊断等，电磁波技术广泛应用于人们日常生活和生产的各个领域。尤其是伴随着电磁波通讯技术的不断发展，发射和接收电磁波的终端设备成数量级的增长，电磁波应用波段不断被展宽，并且电磁波发射功率不断增强，造成了日益严重的电磁污染问题。其影响之一是，电磁辐射波谱的展宽和电磁辐射功率的增强带来了严重的电磁干扰，极大地影响了电子系统的稳定性并带来了相应的电子安全性问题，同时也会给人体健康带来危害。
电磁干扰通常可以通过密闭金属壳体或者涂覆吸波材料解决，然而，该方法不能解决需要视觉观测场合下的电磁干扰屏蔽—也就是透明电磁屏蔽，这也是电磁屏蔽领域的一个公认的热点和难点问题。其实际应用方面，包括一切同时需要满足视觉可见和电磁隔离的场合，如航空航天设备中飞行器/卫星光窗、舰船/汽车光窗、光学仪器光窗、商用高精度仪器的显示设备，医用电磁隔离室观察窗和民用手机触屏、显示器等。尤其是在尖端航空航天领域中，透明电磁隐身是当前最具有前沿性和挑战性的课题。
最近，随着5G和新型探测与遥感等技术的快速发展，对透明电磁屏蔽技术提出了两个十分迫切的新需求。第一个迫切需求是发展具有宽频带电磁屏蔽能力的光学透明器件。伴随着电磁波通讯技术的不断发展，空间中电磁波信号频率成分愈发复杂。第二个迫切需求是发展具有完美电磁屏蔽能力的光学透明器件，实现高透光和强屏蔽，终极目标是透光波段完全透光，关注的微波波段完全屏蔽。目前实现透明电磁屏蔽的方法主要采用金属基透明导电薄膜技术，包含金属网栅滤波技术、金属纳米线技术、金属氧化物薄膜与图案化金属纳米粒子技术等。
1.专利200810063988.0“一种具有双层方格金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由结构参数相同的方格金属网栅或金属丝网平行放置于光学窗或透明衬底两侧构成的电磁屏蔽光学窗，大幅度提高了电磁屏蔽效率。
2.专利200810063987.6“一种具有双层圆环金属网栅结构的电磁屏蔽光学窗”描述了一种由两层圆环金属网栅加载于光学窗两侧构成的电磁屏蔽光学窗，解决了高透光率和强电磁屏蔽效率不能同时兼顾的问题。
3.专利201410051497.X“具有同心圆环的多周期主从嵌套圆环阵列电磁屏蔽光窗”描述了一种用于实现光学窗电磁屏蔽功能的多周期同心圆环嵌套的金属网栅结构，该结构使得高级衍射造成的杂散光得到了一定的均化，减小了网栅对光窗成像质量的影响。
4.专利201410051496.5“双层交错多周期金属圆环嵌套阵列的电磁屏蔽光窗”描述了一种由两层交错排列的金属网栅构成的电磁屏蔽光窗，显著降低了网栅衍射光强分布的不均匀性，减小对成像的影响。
5.专利201510262958.2、201510262957.8、201510262996.8、201510262998.7都是基于裂痕网栅的制作方法，该网栅属于随机网栅的一种。是利用特定条件下，掩模液自然干燥形成裂纹模板，利用该模板制作裂痕网栅，可以有效降低最大高级次衍射，但是由于裂纹是通过自然形成，导致网栅具有不可控性，无法确保透光性、电磁屏蔽效率和高级次衍射能量分布均匀性，且多次试验会造成成本的上升。
6.四川大学鄢定祥等人报道了一种基于藻酸钙/银纳米线/聚氨酯结构的透明电磁屏蔽膜。该电磁屏蔽膜可以在可见光透光率为92％时实现大于20dB的电磁屏蔽性能，同时具有加工成本低等优点(Yan D X等,“Highly efficient and reliable transparentelectromagnetic interference shielding film”.ACS applied materials&interfaces,2018,10(14):11941-11949)。
7.西班牙光子科学研究所Valerio Pruneri等人报道了一种基于铜种子层的超光滑银膜，通过在银膜沉积之前先沉积1nm的铜，后续银膜获得了极其光滑的表面(表面粗糙度小于 0.5nm)，大幅提升了银膜的光电性能，然而种子层金属的引入增大了银膜的光学损耗，同时银膜自可见光向红外波段反射率逐渐升高。(Valerio Pruneri等，“Ultrastableand atomically smooth ultrathin silver films grown on a copper seed layer”.ACS applied materials&interfaces, 2013,5(8):3048-3053)。
综上所述，现有技术的主要缺陷在于：
1.高级次衍射能量集中：由于金属网栅的周期在毫米或者亚毫米量级，而其金属线条宽度一般在微米和亚微米量级，这样的结构参数在光学波段具有非常强的衍射效应，通常，零级次衍射光是用于成像和观测的有用信息，高级次衍射光则构成杂散光，对成像和探测产生干扰。因此希望，尽可能的降低最大高级次衍射能量同时更大程度的均化杂散光分布；采用圆环及子圆环构建网栅，对杂散光起到一定的均化效果，但高级次衍射能量分布仍有进一步均化的空间，以适合更多的应用场合。
2.网栅结构设计规则复杂：金属网栅的结构演化从最初的方格结构向圆环结构，从开始单一周期到复杂周期继而到随机化不断演变，其目的为实现更好的衍射光学性能，避免高级次衍射杂散光能量集中分布影响成像质量。在此过程中，金属网栅结构的光学性能虽然不断提升，然而给结构设计与优化和器件加工带来了巨大的困难。因此，简化结构设计规则并实现极低的成像质量影响是目前透明电磁屏蔽器件衍射光学性能追求的目标，也是金属网栅屏蔽技术存在的挑战。
3.金属薄膜光学性能较差：金属薄膜的介电常数变化模型符合德鲁德参数模型，即其介电常数随着波长增长而逐渐升高，从可见光波段到红外波段，由于折射率不断提高其光学反射率逐渐升高，消光系数不断提升使得吸收损耗也不断增强，透射率逐渐降低，无法满足高透光要求。使用金属薄膜实现高性能的透明电磁屏蔽仍然十分困难，无法满足实际应用需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有透明电磁屏蔽技术的不足，特别是针对现有金属网栅电磁屏蔽技术高级次衍射能量分布集中、网栅结构设计规则复杂，而基于金属薄膜的透明对电磁屏蔽技术红外光波透过率差等问题，研发一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，利用透明导电的介质-超薄掺杂金属-介质作为网栅材料取代传统的金属材料，大幅提升可见光波段的透光率，抑制光学衍射，同时网栅结构提升了红外波段金属薄膜的通透性，扩展其应用领域。
本发明的目的是这样实现的：一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，该光学窗由具有方格或圆环外形的介质-超薄掺杂金属-介质网栅单元，按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列加载于光学窗透明基片表面；介质-超薄掺杂金属-介质由依次层叠的上层介质、中间超薄掺杂金属和下层介质构成。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的超薄掺杂金属由两种或两种以上金属材料通过共沉积的方式形成，其中主要金属元素的原子浓度占比大于等于85％，掺杂金属元素的总原子浓度占比小于等于15％；超薄掺杂金属的厚度小于等于 30nm，并且大于等于4nm。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的其中超薄掺杂金属中主要金属元素为银、铜或者金，掺杂金属元素可以是铝、钛、镍、铬、钽、锗，或者是上述元素中任意两种或两种以上混合。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的其中超薄掺杂金属制备采用共沉积方式，在主要金属沉积过程中按一定速率不断掺入少量掺杂金属，可采用电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜或者直流、磁控溅射镀膜等沉积方式；其中通过控制主要金属与掺杂金属电子束功率或者溅射功率改变两者的原子沉积速率比，最终控制超薄掺杂金属薄膜中主要和掺杂金属元素的原子浓度比例。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的其中超薄掺杂金属的表面粗糙度小于等于其薄膜厚度的30％。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的其中超薄掺杂金属的薄膜方阻小于等于80ohm/square，可见光预设波段透光率大于等于40％。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的超薄掺杂金属/介质中每层介质的厚度小于等于100nm，大于等于5nm。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的超薄掺杂金属/介质中介质层的材料选择可以为氧化铟锡、二氧化钛、氧化锌、氧化铝锌、氧化铝、硫化锌、氟化镁、二氧化硅、氧化铊、三氧化钨、二氧化钒、五氧化二钒其中任意一种。
上述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，所述的方格或者圆环网栅单元周期小于屏蔽微波波段范围中最高频率对应波长的0.5倍；方格或者圆环网栅线宽在纳米至微米量级。
本发明具有以下创新性和优点：
1.一般的金属在非金属衬底上沉积属于岛状生长模式，在超薄厚度条件下，金属薄膜不连续、因此不具备导电性，极大地限制了其电磁屏蔽能力。本发明提出的基于金属/金属与金属/气体共掺杂沉积工艺的高质量超薄掺杂金属膜的制备，为高性能透明电磁屏蔽器件提供基础，解决金属薄膜在透明电磁屏蔽领域中难以实际应用的问题。
2.本发明提出使用透明导电的介质-超薄掺杂金属-介质复合结构取代传统的金属材料构造网栅，解决金属网栅结构高级次衍射能量分布集中导致的成像质量退化问题。同时，极大简化了网栅设计规则，无需多周期化、随机化即可实现抑制衍射能量的目的。
3.由于光学反射和吸收不断增强，金属薄膜在红外波段透光率极差。采用栅网化的方法可以增强红外波段的透射率，拓展金属薄膜红外波段的电磁屏蔽应用。同时，选择合适的方格或圆环单元周期尺寸和线宽大小在微米至纳米量级，结构尺寸远小于屏蔽段微波波长，削弱结构的频率依赖性，使其在关心频段具有稳定的电磁屏蔽响应。
附图说明
图1是本发明所述的基于金属/金属共掺杂沉积工艺超薄掺杂金属制备示意图。
图2是本发明所述的基于金属/气体共掺杂沉积工艺超薄掺杂金属制备示意图。
图3是本发明所述的基于介质-超薄掺杂金属-介质的方格网栅示意图。
图4本发明实例中优选的的氧化铟锡(40nm)/铜掺杂银膜(8nm)/氧化铟锡(40nm)方格网栅(方格周期10μm、线宽5μm)的仿真电磁屏蔽效率。
图5本发明实例中优选的氧化铟锡(40nm)/铜掺杂银膜(8nm)/氧化铟锡(40nm) 方格网栅((方格周期10μm、线宽1μm))的仿真电磁屏蔽效率。
图中件号说明：1.介质层2.超薄掺杂金属层3.介质层
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施方案做详细描述：
附图1是本发明所述的基于金属/金属共掺杂沉积工艺超薄掺杂金属制备示意图。高纯银靶或铜靶或金靶作为沉积的一个靶源(靶源2)，另一个靶源(靶源1)为掺杂金属(铝、钛、镍、铬、钽、锗)的沉积源。需要注意的是当制备掺杂银膜时，靶源1掺杂金属可以选择为铜。通过改变两个靶电源的功率可以调节两者的沉积速度，进而改变掺杂金属膜中两者的沉积原子浓度比例。
附图2是本发明所述的基于金属/气体共掺杂沉积工艺超薄掺杂金属制备示意图。高纯银靶或铜靶或金靶作为沉积的一个靶源(靶源2)，另一个靶源(靶源1)为气源，在沉积过程中不间断通入适量的气体(氧气或氮气)，通过控制气体的流量速度可以调节掺杂金属中气体元素的浓度比例。
通过采用椭偏仪测试实际得到的薄膜厚度和通过金属沉积速度与沉积时间计算出的薄膜厚度进行比较，可以对不同功率下的金属沉积速度进行校准，最终获得准确的金属沉积速率。这样，通过对实际沉积过程中沉积时间进行监控，就可以获得理想准确厚度的金属薄膜。
附图3是本发明所述的基于介质-超薄掺杂金属-介质的方格网栅示意图。网栅材料由介质 -超薄掺杂金属-介质三层组成，上层介质膜1和下层介质膜3以及中间的超薄掺杂金属层2，通过紫外光刻、激光直写等图形生成方式结合刻蚀和剥离等工艺制作出方格网栅结构。
附图4是本发明实例中优选的氧化铟锡(40nm)/铜掺杂银膜(8nm)/氧化铟锡(40nm)方格网栅(方格周期10μm、线宽5μm)的仿真电磁屏蔽效率。从图中可以看出，尽管具有周期性开孔结构，但方格网栅的电磁屏蔽效率却也十分稳定，在1GHz～50GHz覆盖雷达波段范围内，可达23.3dB，这是由于网栅的小周期结构所致。同时，其也可满足高透光的需求，依据占空比计算，此种方格网栅结构的可见光波段透光率可达98％以上，可以实现可见光波段高的透过率，并且红外波段透射率也较未开孔前提升了25％。
附图5是本发明实例中优选的氧化铟锡(40nm)/铜掺杂银膜(8nm)/氧化铟锡(40nm) 方格网栅(方格周期10μm、线宽1μm)的仿真电磁屏蔽效率。从图中可以看出，由于方格网栅线宽的减小，其电磁屏蔽效率下降到10.6dB左右，然而由于方格周期不变，其在宽频率范围内仍具有稳定的电磁响应。并依据占空比仿真计算，此种结构方格网栅红外波段透射率相对于未开孔提高了81％，可以实现红外波段良好的通透性。

Claims (9)

1.一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：由具有方格或圆环外形的介质-超薄掺杂金属-介质网栅单元，按二维正交排列方式密接排布构成网栅阵列加载于光学窗透明基片表面；介质-超薄掺杂金属-介质由依次层叠的上层介质、中间超薄掺杂金属和下层介质构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：超薄掺杂金属由两种或两种以上金属材料通过共沉积的方式形成，其中主要金属元素的原子浓度占比大于等于85％，掺杂金属元素的总原子浓度占比小于等于15％；超薄掺杂金属的厚度小于等于30nm，并且大于等于4nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：其中超薄掺杂金属中主要金属元素为银、铜或者金，掺杂金属元素可以是铝、钛、镍、铬、钽、锗，或者是上述元素中任意两种或两种以上混合。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：其中超薄掺杂金属制备采用共沉积方式，在主要金属沉积过程中按一定速率不断掺入少量掺杂金属，可采用电子束蒸发镀膜、热蒸发镀膜或者直流、磁控溅射镀膜等沉积方式；其中通过控制主要金属与掺杂金属电子束功率或者溅射功率改变两者的原子沉积速率比，最终控制超薄掺杂金属薄膜中主要和掺杂金属元素的原子浓度比例。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：其中超薄掺杂金属的表面粗糙度小于等于其薄膜厚度的30％。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：其中超薄掺杂金属的薄膜方阻小于等于80ohm/square，可见光预设波段透光率大于等于40％。
7.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：超薄掺杂金属/介质中每层介质的厚度小于等于100nm，大于等于5nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：超薄掺杂金属/介质中介质的材料选择可以为氧化铟锡、二氧化钛、氧化锌、氧化铝锌、氧化铝、硫化锌、氟化镁、二氧化硅、氧化铊、三氧化钨、二氧化钒、五氧化二钒其中任意一种。
9.根据权利要求1所述的一种基于介质-超薄掺杂金属-介质的网栅结构电磁屏蔽光学窗，其特征在于：方格或者圆环网栅单元周期小于屏蔽微波波段范围中最高频率对应波长的0.5倍；方格或者圆环网栅线宽在纳米至微米量级。
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