离子束溅射制备Nb2O5、Ta2O5和SiO2薄膜的光学、机械特性和微结构研究

高质量的光学薄膜除了要能够满足光学性能,对于薄膜的机械性能的要求也越来越高。薄膜的机械特性主要取决于薄膜的材料和沉积工艺,因此,采用何种制备技术直接影响着薄膜的性能。

一般来说,物理气象沉积(PVD)广泛应用于光学薄膜的制备,常用PVD技术有电子束蒸发(EB)、离子辅助沉积(IAD)、磁控溅射(MS)以及离子束溅射(IBS)。IBS用高能的离子束流轰击靶材来实现原子或分子的沉积,沉积粒子的动能可达几十电子伏特,制备的薄膜致密,可以获得极低的光学损耗,且抗激光损耗特性较好。而Nb2O5和Ta2O5作为常用的氧化物介质材料,不仅在可见和近红外波段具有折射率高和吸收低的优点,且具有高硬度、很好的热稳定性和化学稳定性的特点。

为此,浙江大学沈伟东教授课题组以Nb2O5、Ta2O5和SiO2薄膜为制备对象,用IBS、IAD和EB的方法制备,对比研究其光学特性、机械特性以及薄膜微结构。具体研究成果发表在光学学报第十二期

在实验中,对于离子束溅射,通过改变辅助离子源参数,改善薄膜的特性;通过光度法拟合计算,得到薄膜的光学常数;对薄膜样品的机械特性包括应力、硬度和杨氏模量进行研究,用原子力显微镜扫描薄膜的表面形貌以及用扫描电子显微镜测试获得薄膜截面。结果表明:IBS和IAD制备的薄膜具有明显优于EB制备的特性,在合适的工艺条件下,IBS薄膜有更低的吸收、更好的表面形貌、更高的硬度和杨氏模量。IBS制备的薄膜表面粗糙度RMS可低于0.2nm,在合适的辅助离子源电压Ua条件下,可以获得较低的表面粗糙度。离子辅助在一定程度可以改变薄膜应力,但对硬度和杨氏模量的影响相对较小。

(a)                     (b)                    (c)

三种制备方式沉积薄膜的表面形貌和截面图(a)电子束蒸发 (b)离子辅助沉积 (c)离子束溅射

研究人员表示,薄膜的热噪声是制约探测灵敏度的主要因素之一,今后的工作将对薄膜材料的热噪声展开进一步研究。

论文信息:袁文佳,沈伟东,郑晓雯,杨陈楹,章岳光,方波,沐雯,陈超楠,刘旭. 离子束溅射制备Nb2O5、Ta2O5和SiO2薄膜的光学、机械特性和微结构[J].光学学报,2017,37(12): 1231001

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