CN115421233A - 一种TiN-SrMoO4复合高反射膜、器件及其制备和应用 - Google Patents
一种TiN-SrMoO4复合高反射膜、器件及其制备和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于反射材料领域，具体涉及一种TiN‑SrMoO4复合高反射膜，包括交替复合的TiN层和SrMoO4层。本发明还包括所述的材料的制备和应用。本发明研究表明，采用TiN和SrMoO4复合，能够意外地实现协同，能够显著改善反射率、改善应力和附着力等机械强度，改善其耐高温、耐湿稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光学薄膜领域，涉及一种高反射率薄膜。
背景技术
掺Er:YLF晶体中文名掺铒氟化钇锂晶体，是固体激光器新兴材料，广泛用于工业，医疗和科研应用，比如口腔外科，牙科，种植体牙科和耳鼻喉科。由于掺Er:YLF激光晶体本身的各向异性会对激光薄膜与晶体之间的应力和附着力有严格的要求；激光强度大，需要薄膜具有高损失阈值，对光吸收性也有着较高的要求。常规的激光晶体反射膜设计层数较多，激光晶体反射膜反射率低。随着激光强度的变化，激光晶体的附着力也不稳定。比如常见的激光镀膜材料ZnS、ZrO2、MgF2。其中，ZnS常与高折射率的半导体材料组合，但是ZnS膜层牢固性低，对基底的附着力很差，在潮湿的空气中膜会变软，用手拿着或暴露在空气中时非常容易破碎。ZrO2虽然它有较高的激光损伤阈值，但是其的散射较大，致密度较差。MgF2会随着膜层厚度的增加，膜层内部的裂纹随之增加，使得散射增加，除此之外，因为MgF2具有很高的张力，在镀制多层膜时，MgF2非常容易破裂。
发明内容
为解决上述缺陷，本发明的目的在于提供一种TiN-SrMoO4复合高反射膜，旨在提供一种具有优异反射率、应力、附着力、耐高温以及耐湿稳定性的膜材料。
本发明第二目的在于，提供所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的制备方法和应用。
本发明第三目的在于，提供包含所述TiN-SrMoO4复合高反射膜的器件、制备和应用。
一种TiN-SrMoO4复合高反射膜，包括交替复合的TiN层和SrMoO4层。
本发明研究表明，采用TiN和SrMoO4复合，能够意外地实现协同，能够显著改善反射率、改善应力和附着力等机械强度，改善其耐高温、耐湿稳定性。
本发明中，所述的TiN和SrMoO4材料的联合是协同改善其反射率、机械强度以及耐高温、耐湿稳定性的关键。
本发明中，所述的TiN层的厚度为150～160nm。在2.81μm波长的折射率为4.52。莫氏硬度8-9。
优选地，所述的SrMoO4层的厚度为360～400nm。优选地，SrMoO4在2.81μm波长的折射率为1.8588。
本发明中，TiN-SrMoO4复合高反射膜中，所述的TiN层和SrMoO4层交替复合层数为5-10层。例如，其膜结构例如为(HL)m，所述的H为TiN层；所述的L为SrMoO4层，所述的m为5～10。
本发明还提供了一种所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的制备方法，采用离子溅射镀膜方式，交替镀制所述的TiN层和SrMoO4层。
本发明中，对镀制TiN层的工艺和条件没有特别要求，例如，镀制TiN层的工艺为：采用射频离子源轰击TiN靶材，使TiN靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到25～35Pai。TiN的沉积速率为7.5～8nm/s，沉积时间为160-200秒。
对镀制SrMoO4层的工艺和条件没有特别要求，例如，镀制SrMoO4层的参数为：采用射频离子源轰击SrMoO4靶材，使SrMoO4靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor，通上氩气、氧气压力设置到25～35P30Pa。SrMoO4的沉积速率为2.5～3nm/s。沉积温度设定为260-300℃，沉积时间为160-200秒。
优选地，所述镀制TiN和SrMoO4材料的厚度为1/4光学厚度，计算公式为：
λ0为中心波长，nH/L为TiN和SrMoO4在中心波长处的折射率。
本发明还提供了一种所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的应用，将其在基底表面按TiN层和SrMoO4层的顺序依次叠置(镀制)，形成TiN-SrMoO4复合高反射膜器件。
本发明中，可以将所述的高反膜结构复合在需要的基底上，形成需要的反射功能的器件。
本发明所述的应用中，第一重复单元的TiN层和基底表面接触，其他层按z轴重复叠置复合，
本发明还提供了一种TiN-SrMoO4复合高反射膜器件，包括基底，以及复合在其表面的所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜；
其膜结构为：sub/(HL)^m/Air；
H为TiN层；L为SrMoO4层；
所述的m为H和L重复复合的系数；其中，m为5-10的整数；
所述的sub为基底，所述的Air为空气。
本发明所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜器件，所述的基底为掺Er:YLF激光晶体、Cr:ZnSe晶体、Fe:ZnSe晶体、Tm:KYW晶体或Tm,Ho:KYW晶体。
作为优选，掺Er:YLF激光晶体的波长为2.81μm。
本发明还提供了一种所述TiN-SrMoO4复合高反射膜器件的应用，将其用于制备激光测距、激光加工、激光全息技术、激光医学等器件。
有益效果：
1、采用TiN-SrMoO4联合，能够实现协同，能够改善反射率，改善应力和附着力，改善耐高温、耐湿稳定性。
例如，本发明中，在2.81μm波段能实现反射率达96％以上，截止区透过率小于0.1％，大大提高了检测信噪比，提高测量精确度。
2、本发明的制备方法操作简单，易于实施，有利于大规模生产。
3、材料简单易备，其具有极强的稳定性，无污染。
附图说明
图1为实施例1掺Er:YLF激光晶体高反射率薄膜，包括基底1、TiN层2、SrMoO4层3
图2为掺Er:YLF激光晶体高反射率薄膜在2810um波长光谱图。
具体实施方式
附着力测试：用宽度1英寸的3M胶带紧贴镀膜表面，然后沿膜面垂直方向迅速拉起，反复拉扯50次；
耐湿测试：在温度为30℃的水里浸泡96小时；干燥后测定其反射率。通过高温干燥处理前、后的反射率百分比评价其耐湿稳定性。
耐高温验证：常温升至300℃烘烤5小时后降至常温，随后测定其反射率，通过高温处理前、后的反射率百分比评价其耐高温稳定性。
实施例1
按sub/(HL)^m/Air的膜结构进行镀制：其中，sub为掺Er:YLF激光晶体；H为TiN层，L为SrMoO4层，m为重复镀制的层数，本案例中为10。
所述镀制高低折射率材料的厚度为1/4光学厚度，计算公式为：
λ0为中心波长，nH/L为HL材料在中心波长处的折射率。即高折射率材料TiN的厚度为：155.42nm，低折射率材料SrMoO4的厚度为：377.69nm。高折射率材料TiN与低折射率材料SrMoO4交替镀制10层。
制备过程：采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到30Pa。TiN的沉积速率为7.7nm/s，每层的沉积时间设定为180秒。
SrMoO4的沉积速率为2.7nm/s。沉积温度设定为300℃，每层的沉积时间设定为180秒。膜层颗粒大小分布均匀，相互紧密结合，孔隙率降低，薄膜结构致密。
通过离子溅射镀膜方式交替镀制高低折射率材料。通过离子溅射镀膜方式制备镀膜层以及利用不同材料制备叠加镀膜层这是本领域常见的技术。最终获得性能最佳的掺Er:YLF激光晶体高反射率薄膜，经测试，在2.81μm波段能实现反射率达99.6％。
实施例2
和实施例1相比，区别仅在于，交替镀制的层数为5层。膜结构为sub/(HL)^m/Air，其中m为5，其他操作和参数同实施例1。
经测试，在2.81μm波段能实现反射率达98.7％。
对比例1
和实施例2相比，区别仅在于，采用Al2O3替换实施例1中的SrMoO4。其厚度同样为1/4光学厚度，且基于现有的常规方法镀制。Al2O3折射率为：n＝1.54～1.62，硬度高，熔点为2054℃,耐热性能佳。制备Al2O3膜时，采用现有常见的离子溅射镀膜设备，BSV1030。使用99.99％高纯铝靶材，采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气，压力设置到30Pa。经实验，将Al2O3与SrMoO4进行交替叠加，镀制5层，得到反射膜A，测试得出反射率RA，对反射膜进行附着力测试、湿热测试、耐高温验证。见表1。
对比例2
和实施例2相比，区别仅在于，分别采用TiO2、ZrO2或HfO2替换所述的TiN；且各层的厚度同样为1/4光学厚度，且基于现有的常规方法镀制：
例如，HfO2的制备条件为：采用JCCQ-600TA磁控溅射镀膜机。靶材为高纯金属铪靶；真空室气压为1*10-3pa；沉积温度为25～300℃；射频功率为100w～400w；通上氧气与氩气,，工作气压为0.1pa～0.6pa；[可参考真空科学与技术学报第28卷第2期2008年3、4月]
TiO2的制备条件为：采用离子溅射镀膜设备，BSV1030。使用99.99％高纯金属钛靶材，采用16cm的射频离子源轰击靶材，使靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤8*10-5Tor。通上氩气、氧气，压力设置到30Pa。
ZrO2的制备条件为：采用离子溅射镀膜设备，BSV1030。使用99.9％的二氧化锆靶材；真空室气压为1*10-6pa；沉积温度为100～200℃；射频功率为150w～300w；通上氧气与氩气,，工作气压为20pa～36pa。
经实验，将TiO2、ZrO2或HfO2分别与SrMoO4进行交替叠加，镀制5层，得到高反膜B、C、D，分别测试得出的反射率RB、RC、RD；并对反射膜A、B、C分别进行附着力测试、湿热测试、耐高温验证数据见表1。
表1
通过表1可知，TiO2、ZrO2或HfO2材料的某些性能优于TiN，且单独的Al2O3的某些性能优于SrMoO4，但创新地将TiN、SrMoO4复合，能够意外地实现协同，能够协同改善反射性，不仅让粗，还能够改善其机械、耐湿、耐高温性能。
Claims (10)
1.一种TiN-SrMoO4复合高反射膜，其特征在于，包括交替复合的TiN层和SrMoO4层。
2.如权利要求1所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜，其特征在于，所述的TiN层的厚度为150～160nm；
优选地，所述的SrMoO4层的厚度为360～400nm。
3.如权利要求1所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜，其特征在于，所述的TiN层和SrMoO4层交替复合层数为5-10层。
4.一种权利要求1～3任一项所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的制备方法，其特征在于，采用离子溅射镀膜方式，交替镀制所述的TiN层和SrMoO4层。
5.如权利要求4所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的制备方法，其特征在于，镀制TiN层的镀制工艺为：采用射频离子源轰击TiN靶材，使TiN靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor,通上氩气、氧气压力设置到25～35Pai；TiN的沉积速率为7.5～8nm/s，沉积时间为160-200秒。
6.如权利要求4所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的制备方法，其特征在于，镀制SrMoO4层的工艺为：采用射频离子源轰击SrMoO4靶材，使SrMoO4靶材粒子沉积于工件盘基底上；其中，镀膜机真空室压力≤2*10-6Tor，通上氩气、氧气压力设置到25～35PPai；SrMoO4的沉积速率为2.5～3nm/s；沉积温度设定为260-300℃，沉积时间设定为160-200秒。
7.一种权利要求1～3所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜的应用，其特征在于，将其在基底表面按TiN层和SrMoO4层的顺序依次叠置，形成TiN-SrMoO4复合高反射膜器件。
8.一种TiN-SrMoO4复合高反射膜器件，其特征在于，包括基底，以及复合在其表面的权利要求1～3任一项所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜；
其膜结构为：sub/(HL)^m/Air；
H为TiN层；L为SrMoO4层；
所述的m为H和L重复复合的系数；其中，m为5-10的整数；
所述的sub为基底，所述的Air为空气。
9.如权利要求8所述的TiN-SrMoO4复合高反射膜器件，其特征在于，所述的基底为掺Er:YLF激光晶体、Cr:ZnSe晶体、Fe:ZnSe晶体、Tm:KYW晶体或Tm,Ho:KYW晶体。
10.一种权利要求8～9任一项所述TiN-SrMoO4复合高反射膜器件的应用，其特征在于，将其用于制备激光测距、激光加工、激光全息技术、激光医学中的至少一种器件。
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