CN115995307A - 电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜及制备方法 - Google Patents

电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于包括电热窗口基底、可见光及近红外波段透明导电薄膜、AR增透膜；所述透明导电薄膜是离子束辅助电子束热蒸发法制备的In2O3:W薄膜，其采用的膜料为4N以上氧化铟与氧化钨的混合膜料，混合比例为98:2～96:4；本发明通过通过采用价态更高的W元素(相对于ITO薄膜中掺杂元素Sn)掺杂In2O3，与In+3形成更高的价态差，在不提高载流子浓度的前提下，提高了载流子迁移率，有效降低了膜层电阻率，达到6.9e‑4Ω.cm；所制备In2O3:W透明导电薄膜方块电阻低至30Ω/sq，镀制AR膜后，450～800nm波段透过率达到91％，1550nm波段透过率达到89.5％。

Description

电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜及制备方法
技术领域
本发明属于光学薄膜材料技术领域，具体涉及一种电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜及制备方法。
背景技术
光学仪器在使用过程中，当从低温环境进入高温高湿环境时，光学窗口外表面附近的空气温度将因为热传导而降低至低于环境露点温度，导致窗口表面附近空气中水蒸气达到饱和而凝结成液态，附着在窗口表面，即出现起雾现象，影响光学仪器的观察使用和成像质量。对处于低温或极端低温环境的光学仪器或光电装备，由于空气中含有水蒸气，当空气流过低于其冻结温度的表面时，空气中的水蒸气会凝华并附着在固体表面上，结成一层霜。若不及时处理，也将导致光学系统无法正常观测和成像。
相对其他除霜方法，如机械擦拭法、暖气流吹除法、电阻丝加热法，氧化铟锡(ITO)薄膜除霜除雾有着突出的优势：1)不对光学窗口施加机械外力，不存在镜面磨损问题；2)ITO材料良好的导电性能；3)ITO薄膜在可见光波段可获得85％以上的透射率。
目前ITO薄膜在光电装备电热窗口、飞机座舱玻璃、机车挡风玻璃都有很广泛的应用。尽管ITO薄膜在可见光波段有非常好的光学性能，但在近红外波段呈现非常高的反射率。在导电性能不降低的情况下，近红外波段反射率高的特点阻碍了ITO薄膜在测星光学系统(1200～1600nm)、人眼安全激光测距系统(1550nm)以及可见光与上述波段复合的光学系统的应用。
因此制备在可见光及近红外波段高透过，且具有良好导电性的透明导电薄膜成为亟待解决的技术问题。
发明内容
为解决现有电热窗口用ITO透明导电膜在近红外波段透过率低，不能满足可见光与近红外波段同时透明、导电使用要求的问题，本发明目的在于提供一种电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜及制备方法，所得可见光及近红外波段高透过导电薄膜具有电阻率低、450～800nm及1550nm波段透过率高等特点，且环境适应性好，可作为K9、石英及蓝宝石等光学窗口的电加热薄膜。
为达到上述目的，采用技术方案如下：
电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，包括电热窗口基底、可见光及近红外波段透明导电薄膜、AR增透膜；
所述透明导电薄膜是离子束辅助电子束热蒸发法制备的In2O3:W薄膜，其采用的膜料为4N以上氧化铟与氧化钨的混合膜料，混合比例为98:2～96:4。
按上述方案，所述电热窗口基底是K9玻璃、石英玻璃或蓝宝石玻璃。
按上述方案，所述透明导电薄膜制备时采用工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA的射频离子源进行辅助电子束热蒸发。
按上述方案，所述透明导电薄膜采用离子束辅助电子束热蒸发法制备时，混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min，预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s，沉积厚度150～200nm。
按上述方案，所述AR增透膜是根据具体波段要求进行设计并制备的单层或多层增透膜，用以增强需求波段光学性能。
上述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗电热窗口基底，去除表面油脂和颗粒物杂质，放入镀膜机中预热，预热温度300～350℃，保温时间60～180min；
(2)离子束清洗：当达到本底真空8.0×10-6mbar时，开启射频离子源对基底表面进行离子束轰击，工作气体为高纯氩气；
(3)对高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料进行预热，同时设置射频离子源参数并开启，采用离子束辅助电子束热蒸发法制备In2O3:W薄膜；
(4)根据不同波段需求，在In2O3:W薄膜表面镀制AR薄膜，进一步提升透过率。
按上述方案，步骤2中离子束清洗参数设置如下：氩气流量50～60sccm，加速电压800～1200V，加速电流1000～1200mA，抑制电压600～700V，偏置电流1800～2000mA，持续时间10～15min。
按上述方案，步骤3中高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料为直径为5mm、高度5mm的In2O3膜料与直径为5mm、高度5mm的WO3膜料按照98:2～96:4的质量比均匀混合而来。
按上述方案，步骤3中混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min；预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s,沉积厚度150～200nm。
按上述方案，步骤3中设置射频离子源参数：工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA。
相对于现有技术，本发明有益效果如下：
通过采用价态更高的W元素(相对于ITO薄膜中掺杂元素Sn)掺杂In2O3，与In+3形成更高的价态差，在不提高载流子浓度的前提下，提高了载流子迁移率，有效降低了膜层电阻率，达到6.9e-4Ω.cm。
本发明所制备In2O3:W透明导电薄膜，方块电阻低至30Ω/sq，镀制AR膜后，450～800nm波段透过率达到91％，1550nm波段透过率达到89.5％。
以氧气/氩气混合气作为离化气源，采用射频离子源离化和加速，辅助沉积In2O3:W透明导电薄膜，有效对再氧化因高温蒸发而失氧的膜层再氧化，并加强膜基结合力。
通过降低沉积速率，有效的改善了因In2O3与WO3材料因蒸发温度不同导致的膜层“发雾”问题，提升了电子束蒸发制备In2O3:W透明导电薄膜的表面质量。
本发明的典型特点是膜层在可见光和近红外波段均有良好的光学性能和导电性能，能够满足极端环境下各种光电装备的光学性能要求和除冰除霜除雾功能需求，可广泛应用于军民用光电探测技术领域。
附图说明
图1：本发明电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜结构示意图。
图2：单层In2O3:W薄膜光谱及与相同方阻ITO薄膜对比。
图3：450～800nm&1540～1560nm波段电热窗口透明导电膜光谱。
具体实施方式
以下实施例进一步阐释本发明的技术方案，但不作为对本发明保护范围的限制。
具体实施方式提供了一种电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，参照附图1所示，包括电热窗口基底1、可见光及近红外波段透明导电薄膜2、AR增透膜3；
所述透明导电薄膜是离子束辅助电子束热蒸发法制备的In2O3:W薄膜，其采用的膜料为高纯度(4N以上)氧化铟与氧化钨的混合膜料，混合比例为98:2～96:4。
具体地，所述电热窗口基底是K9玻璃、石英玻璃或蓝宝石玻璃。
具体地，所述透明导电薄膜制备时采用工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA的射频离子源进行辅助电子束热蒸发。
具体地，所述透明导电薄膜采用离子束辅助电子束热蒸发法制备时，混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min，预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s，沉积厚度150～200nm。
具体地，所述AR增透膜是根据具体波段要求进行设计并制备的单层或多层增透膜，用以增强需求波段光学性能。
本发明具体实施方式还提供了上述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，包括以下步骤：
(1)清洗电热窗口基底，去除表面油脂和颗粒物杂质，放入镀膜机中预热，预热温度300～350℃，保温时间60～180min；
(2)离子束清洗：当达到本底真空8.0×10-6mbar以上时，开启射频离子源对基底表面进行离子束轰击，工作气体为高纯氩气；
(3)对高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料进行预热，同时设置射频离子源参数并开启，采用离子束辅助电子束热蒸发法制备In2O3:W薄膜；
(4)根据不同波段需求，在In2O3:W薄膜表面镀制AR薄膜，进一步提升透过率。
具体地，步骤2中离子束清洗参数设置如下：氩气流量50～60sccm，加速电压900～1100V，加速电流1100～1300mA，抑制电压600～700V，偏置电流1950～2000mA，持续时间10～15min。
具体地，步骤3中高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料为直径为5mm、高度5mm的In2O3膜料与直径为5mm、高度5mm的W2O3膜料按照98:2～96:4的质量比均匀混合而来。
具体地，步骤3中混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min；预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s，沉积厚度150～200nm。
具体地，步骤3中设置射频离子源参数：工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA
实施例1
K9玻璃光学窗口可见光及近红外(450～800nm&1540～1560nm)电热膜：
1)将K9玻璃光学窗口在丙酮溶液中超声清洗15min，然后将其在HF溶液中超声清洗10min，再用去离子水冲洗，并对其进行烘干处理，由此完成清洗步骤。
2)将直径为5mm，高度5mm的In2O3膜料与直径为5mm，高度5mm的WO3膜料按照97:3质量比进行均匀混合，并放入坩埚内；
3)将完成清洗的K9玻璃光学窗口放入镀膜机内，固定，抽真空并加热，温度设置330℃，保温120min，充分预热。
4)基片清洗：当达到本底真空8.0×10-6mbar时，开启射频离子源对窗口表面进行离子束轰击，工作气体为高纯氩气(纯度99.99％)。参数设置如下：氩气流量50sccm，加速电压1000V，加速电流1200mA，抑制电压700V，偏置电流2000mA，持续时间12min。
5)In2O3:W薄膜沉积：设置电子枪电流30mA，对膜料进行10min预热；同时设置射频离子源参数并开启，参数设置如下：工作气体为高纯氩气和氧气10:40比例混合气，加速电压250V，加速电流1000mA，抑制电压500V,偏置电流1700mA；膜料预热完成后进行In2O3:W薄膜沉积，沉积温度330℃，沉积沉积速率0.25nm/s,厚度175nm。
6)待真空室温度降低至80℃以下，开门取件。采用四探针测量仪测量导电膜方块电阻，R＝30Ω/sq，采用Carry7000分光光度计测量透过率，如图2所示，可见光波段峰值达到89％，近红外波段透过率相对ITO(R＝30Ω/sq)有非常大的提升。
7)AR薄膜沉积：针对450～800nm&1540～1560nm波段要求，镀制AR薄膜，AR薄膜结构为SiO2/Ta2O5/SiO2，设置沉积温度为150℃，保温时间60min；设置SiO2沉积速率：0.6nm/s，Ta2O5沉积速率：0.3nm/s；依次沉积SiO2 34nm，Ta2O5 17nm/s，SiO2 283nm。
采用Carry7000分光光度计测量透过率，如图3所示，450～800nm波段平均透过率91％，1550nm波段平均透过率89.5％。
实施例2
蓝宝石光学窗口近红外测星波段(1200～1600nm)电热膜：
1)将蓝宝石光学窗口在丙酮溶液中超声清洗12min，然后将其在HF溶液中超声清洗10min，再用去离子水冲洗，并对其进行烘干处理，由此完成清洗步骤。
2)将直径为5mm，高度5mm的In2O3膜料与直径为5mm，高度5mm的WO3膜料按照97:3质量比进行均匀混合，并放入坩埚内；
3)将完成清洗的蓝宝石光学窗口放入镀膜机内，固定，抽真空并加热，温度设置330℃，保温90min，充分预热。
4)基片清洗：当达到本底真空8.0×10-6mbar时，开启射频离子源对窗口表面进行离子束轰击，工作气体为高纯氩气(纯度99.99％)。参数设置如下：氩气流量50sccm，加速电压1000V，加速电流1200mA，抑制电压700V，偏置电流2000mA，持续时间12min。
5)In2O3:W薄膜沉积：设置电子枪电流30mA，对膜料进行10min预热；同时设置射频离子源参数并开启，参数设置如下：工作气体为高纯氩气和氧气10:40比例混合气，加速电压250V，加速电流1000mA，抑制电压500V,偏置电流1700mA；膜料预热完成后进行In2O3:W薄膜沉积，沉积温度330℃，沉积沉积速率0.25nm/s,厚度155nm。
6)待真空室温度降低至80℃以下，开门取件。采用四探针测量仪测量导电膜方块电阻，R＝33Ω/sq。
7)AR薄膜沉积：针对1200～1600nm波段要求，镀制AR薄膜，AR薄膜结构为SiO2/Ta2O5/SiO2，设置沉积温度为150℃，保温时间60min；设置SiO2沉积速率：0.6nm/s，Ta2O5沉积速率：0.3nm/s；依次沉积SiO2 55nm，Ta2O5 104nm/s，SiO2 294nm。
采用Carry7000分光光度计测量透过率，1200～1600nm波段平均透过率90％。

Claims (10)

1.一种电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于包括电热窗口基底、可见光及近红外波段透明导电薄膜、AR增透膜；
所述透明导电薄膜是离子束辅助电子束热蒸发法制备的In2O3:W薄膜，其采用的膜料为4N以上氧化铟与氧化钨的混合膜料，混合比例为98:2～96:4。
2.如权利要求1所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于所述电热窗口基底是K9玻璃、石英玻璃或蓝宝石玻璃。
3.如权利要求1所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于所述透明导电薄膜制备时采用工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA的射频离子源进行辅助电子束热蒸发。
4.如权利要求1所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于所述透明导电薄膜采用离子束辅助电子束热蒸发法制备时，混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min，预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s，沉积厚度150～200nm。
5.如权利要求1所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜，其特征在于所述AR增透膜是根据具体波段要求进行设计并制备的单层或多层增透膜，用以增强需求波段光学性能。
6.权利要求1所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)清洗电热窗口基底，去除表面油脂和颗粒物杂质，放入镀膜机中预热，预热温度300～350℃，保温时间60～180min；
(2)离子束清洗：当达到本底真空8.0×10-6mbar时，开启射频离子源对基底表面进行离子束轰击，工作气体为高纯氩气；
(3)对高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料进行预热，同时设置射频离子源参数并开启，采用离子束辅助电子束热蒸发法制备In2O3:W薄膜；
(4)根据不同波段需求，在In2O3:W薄膜表面镀制AR薄膜，进一步提升透过率。
7.如权利要求6所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤2中离子束清洗参数设置如下：氩气流量50～60sccm，加速电压800～1200V，加速电流1000～1200mA，抑制电压600～700V，偏置电流1800～2000mA，持续时间10～15min。
8.如权利要求6所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤3中高纯度氧化铟与氧化钨的混合膜料为直径为5mm、高度5mm的In2O3膜料与直径为5mm、高度5mm的WO3膜料按照98:2～96:4的质量比均匀混合而来。
9.如权利要求6所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤3中混合膜料预热电流为20～30mA，预热时间5～10min；预热完成后进行膜层沉积，沉积温度300～350℃，沉积速率0.2～0.28nm/s,沉积厚度150～200nm。
10.如权利要求6所述电热窗口用可见光及近红外波段透明导电薄膜的制备方法，其特征在于步骤3中设置射频离子源参数：工作气体为氧气和氩气40:10比例混合气，加速电压220～280V，加速电流900～1100mA，抑制电压400～600V，偏置电流1600～1800mA。
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CN118042656A (zh) * 2024-03-14 2024-05-14 华中光电技术研究所(中国船舶集团有限公司第七一七研究所) 一种用于蓝宝石窗口的电加热膜及其制备方法

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