几种膜系的理论及应用研究汇总.docx

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几种膜系的理论及应用研究汇总

武汉职业技术学院

毕业论文

几种膜系的理论及应用研究

系别:

光电子技术系

班级:

光电11303

作者:

韩炜

指导教师:

张雅娟

2014年02月22日

摘要

镀膜是将光学薄膜沉积在光学零件表面的制造过程。

光学薄膜应用于各种反射和透射光学元件，薄膜技术是光学技术的一个重要组成部分。

镀膜技术涉及到光电技术、计算机、真空技术、材料科学、自动控制技术等领域。

本文阐述了几种常见镀膜工艺的特点，进行工艺比较，结合当前的实际应用对镀膜的应用做了一定的归纳和总结，对未来镀膜工艺进行展望。

着重介绍了ITO膜和PI膜

关键词：

镀膜薄膜ITO膜PI膜

目录

摘要...............................................................I

1绪言.............................................................1

1．1镀膜意义.....................................................1

1．2光学薄膜.....................................................1

2镀膜技术.........................................................2

2.1常用的镀膜工艺................................................2

2.2三种镀膜工艺比较..............................................3

2.3三种镀膜工艺的应用............................................3

3光学薄膜分类.....................................................5

3.1减反射膜......................................................5

3.2反射膜........................................................6

3.3干涉滤光片....................................................7

3.4分光膜........................................................7

4ITO薄膜.........................................................8

4.1ITO薄膜基本性能...............................................8

4.2ITO薄膜在国内的发展.........................................11

5聚酰亚胺薄膜（PI膜）...........................................12

5.1聚酰亚胺薄膜（PI膜）特性.....................................12

5.2聚酰亚胺优点.................................................13

5.3PI膜未来发展................................................13

6光学镀膜的应用前景..............................................14

6.1光学镀膜在光学上的应用......................................14

6.2光学镀膜在电子电路上的应用..................................14

6.3光学镀膜在机械工业的应用....................................14

6.4光学镀膜在生活中的应用.......................................15

6.5前景展望....................................................15

参考文献..........................................................16

1绪言

1.1镀膜意义

镀膜在利用某些薄膜材料的红外线反射性能的同时，也利用了薄膜在可见光谱范围的干涉效应，通过对薄膜厚度的调整，既达到热反射功能，又可形成所需的反射颜色效果。

镀膜是用物理或化学的方法在材料表面镀上一层透明的电解质膜，或镀一层金属膜，目的是改变材料表面的反射和透射特性。

在可见光和红外线波段范围内，大多数金属的反射率都可达到78%~98%，但不可高于98%。

无论是对于CO2激光，采用铜、钼、硅、锗等来制作反射镜，采用锗、砷化镓、硒化锌作为输出窗口和透射光学元件材料，还是对于YAG激光采用普通光学玻璃作为反射镜、输出镜和透射光学元件材料，都不能达到全反射镜的99%以上要求。

不同应用时输出镜有不同透过率的要求，因此必须采用光学镀膜方法。

对于CO2激光灯中红外线波段，常用的镀膜材料有氟化钇、氟化镨、锗等；对于YAG激光灯近红外波段或可见光波段，常用的镀膜材料有硫化锌、氟化镁、二氧化钛、氧化锆等。

除了高反膜、增透膜之外，还可以镀对某波长增反射、对另一波长增透射的特殊膜，如激光倍频技术中的分光膜等。

当光线进入不同传递物质时（如由空气进入玻璃），大约有5%会被反射掉，在光学瞄准镜中有许多透镜和折射镜，整个加起来可以让入射光线损失达30%至40%。

现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜，单层增透膜可使反射减少至1.5%，多层增透膜则可让反射降低至0.25%，所以整个瞄准镜如果加以适当镀膜，光线透穿率可达95%。

镀了单层增透膜的镜片通常是蓝紫色或是红色，镀多层增透膜的镜片则呈淡绿色或暗紫色。

1.2光学薄膜

由薄的分层介质构成的，通过界面传播光束的一类光学介质材料。

光学薄膜的应用始于20世纪30年代。

现代，光学薄膜已广泛用于光学和光电子技术领域，制造各种光学仪器。

虽然薄膜的光学现象早在17世纪就为人们所注意，但是把光学薄膜作为一个课题进行专门研究却开始于20世纪30年代以后，这主要因为真空技术的发展给各种光学薄膜的制备提供了先决条件。

时至今日，光学薄膜已得到很大发展，光学薄膜的生产已逐步走向系列化、程序化和专业化，但是，在光学薄膜的研究中还有不少问题有待进一步解决，光学薄膜现有的水平在不少工作中还不能满足要求，需要提高。

在理论上，不但薄膜的生长机理需要搞清，而且薄膜的光学理论，特别是应用于极短波段的光学理论也有待进一步完善和改进。

在工艺上，人们还缺乏有效的手段实现对薄膜淀积参量的精确控制，这样，薄膜的生长就

具有一定程度的随机性，薄膜的光学常数、薄膜的厚度以及薄膜的性能也就具有一定程度的不稳定性和盲目性，这一切都限制了光学薄膜质量的提高。

就光学薄膜本身来说，除了光学性能需要提高，吸收、散射等光损耗需要减少之外，它的机械强度、化学稳定性和物理性质都需要进一步改进。

在激光系统中，光学薄膜的抗激光强度较低，这是光学薄膜研究中最重要的问题之一。

2镀膜技术

随着增透膜的不断开发和研究，光学增透膜的镀膜技术也在不断的发展。

光学增透膜的厚度要控制在可见光波长1/4波长的数量级上，增透膜的均匀度的要求也非常的苛刻。

尽管如此,在人们的不懈探索中，还是掌握了不少行之有效、先进的镀膜技术。

目前，常用的镀膜生产工艺有：

溶胶-凝胶镀膜、反应蒸发镀膜、真空阴极磁控溅射镀膜等工艺方法。

下面就这几种镀膜工艺分别进行介绍：

2.1常用的镀膜工艺

2.1.1溶胶-凝胶镀膜

是将III、V、VI族金属、半金属元素的有机化合物和无机盐溶于有机溶剂中获得溶胶镀液，采用浸渍或离心甩胶的方法涂覆在基片表面，再进行干燥脱水处理获得固体薄膜的方法。

例如制备光催化功能薄膜：

先水解再脱水（120℃下）

该技术对薄膜材料有要求：

有机极性溶体溶解度范围不能窄，最好不用水溶液;有少量水参与时应容易发生水解，而且水解形成的薄膜不应溶解，生成的挥发物易于去除;水解形成的氧化物应易于低温充分脱水;薄膜、基片附着力好。

2.1.2反应蒸发镀膜

在蒸发不少金属氧化物时,会出现缺氧现象,这会使光学膜产生光吸收现象。

在反应沉积过程中,通过向剩余气体中加氧可以适当消除光吸收的影响。

由于热分解或太低的蒸发压强而化合物不可能直接蒸发的所有情况都可采用反应蒸发镀膜技术。

通常用低价氧化物或金属原材料生产氧化膜,也可用这种方法生产硫化物和氮化物或其他化合物。

必须注意的是在反应条件下进行蒸发时,需要连续补充化学反应消耗的气体。

在薄膜沉积中,必须选择相关过程的所有参数,使沉积的薄膜满足最佳化标准。

用这种方法生产的氧化物膜的质量通常仍然略低于计算结果并略有吸收。

这种反应蒸发膜呈多晶,非晶或聚合物结构,表面较粗糙,并有柱状或海绵状微细结构,这些微细结构有较大的空隙和较大的内表面。

除此以外,膜层对基底的附着力很差,抗磨损能力和硬度都很低。

由于膜的密度小,膜的折射率比块状氧化物折射率低得多。

膜的吸收水蒸气和其他气体使其折射率和其他物理性质改变。

在反应蒸发之前,把基底加热到300℃左右,可以提高膜的质量。

虽然加热基底可能会导致较粗糙的膜结构、增加表面粗糙度,但是加热基底已成为镀膜过程的不可缺少的步骤。

2.1.3真空阴极磁控溅射镀膜

又称离线镀膜，是将玻璃置于真空室中，在真空室内通入反应性气体，当对溅射阴极通电时，在电场的作用下，从阳极表面发射出电子，电子在电场的加速下能量迅速提高，高能电子将于阴极表面区域的空间的气体分子相碰撞，使气体分子电离，带正电的粒子在电场的加速下，高速向阴极表面撞击，将金属粒子击出，同时由于粒子碰撞靶表面产生大量二次电子，电子又在电场的加速下成为高能电子，从而维持这种导常辉光放电。

其中，被带正电的粒子从靶表面出的金属粒子，会沉积在玻璃上，形成薄膜。

采用这种方法，可以进行多层膜的生产，可形成的材料极多。

绝大部分的金属和无机非金属均可成膜。

“控阴极溅射的原理”是在阴极内部装有永久磁铁或电磁铁。

磁场穿透阴极表面的金属溅射靶，在对溅射阴极通电时，产生了一次电子，一次电子既在磁场束缚下又在电场的加速下，形成螺旋式运动轨迹，大大增加了加速时间及运动路程，提高了与空间气体分子相碰撞的几率和速度，从而提高了溅射沉积率。

分为热反射镀膜和低辐射Low-E镀膜。

除此以外，采用真空磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，还具有膜层牢固和均匀，化学稳定性能好等优点，并且能获得多种理想光学性能和丰富的反射颜色。

采用热反射镀膜时，可以进行多层膜的生产，可形成的材料极多。

离线低辐射Low-E镀膜需镀一层纯银薄膜作为功能膜，纯银薄膜在两层金属氧化物膜之间，金属氧化膜对纯银膜提供保护，且作为膜层之间的中间层，能增加颜色的纯度及光的透射水平。

由于有多种金属靶材可以选择，及多种金属靶材组合，所以溅射法生产的离线低辐射Low-E镀膜可由多种配置，在颜色和纯度方面溅射镀膜液优于热喷涂，而且离线法的新产品开发方面也比较灵活。

最主要的优点在于溅射生产的离线低辐射Low-E镀膜的中空玻璃其“U”值优于热解法产品的“U”值，但它的缺点就是膜层比较脆弱。

2.2三种镀膜工艺比较

溅射镀膜与蒸发镀膜相比，有许多优点,如任何物质均可以溅射，尤其是高熔点，低蒸气压元素和化合物;溅射膜与基板之间的附着性好;薄膜密度较高;膜厚可控制性和重复性较好等。

缺点是设备比较复杂，需要高压装置;

将蒸发法与溅射法相结合，即为离子镀。

这种方法的优点是得到的膜与基板间有极强的附着力，有较高的沉积速率，膜的密度高。

蒸发镀膜过程可以实现连续化。

这种镀膜可以通过微调阀控制镀膜室中气体的成分和含量，按照人名的需求制成各种不同性质的薄膜;

溶胶-凝胶法制备薄膜比起传统的制膜方法，具有以下优势：

（a）镀膜设备简单，易于操作;（b）工艺过程温度较低，镀膜通常在室温或接近室温的环境下，形成的薄膜纯度较高;（c）可以在大尺寸以及各种形状不规则基底上镀膜;（d）化学计量比准确，易于改性，掺杂量的范围加宽，可以有效控制薄膜成分及微观结构。

2.3三种镀膜工艺的应用

溶胶-凝胶法制备薄膜主要被用在制备减反膜、高反膜、电致或光致变色薄膜、光波导等方面。

用反应蒸发镀膜法在制备各种滤光片、反射镜等方面也用的比较多。

采用磁控溅射镀膜法生产热反射镀膜玻璃，是目前国际上大面积生产镀膜玻璃的最先进工艺方法，比传统的镀膜方法在产品来年说在功能、劳动生产率、成本等方面有显著的改进。

磁控溅射镀膜能够按需要的比例控制太阳直接辐射的反射、透过和吸收，并产生需要的反射颜色。

其产品的特点是：

a）有效限制太阳直接辐射的入射量，遮阳效果较明显;b）具备丰富多彩的反射色调和极佳的装饰效果;c）对室内物体和建筑构件具有良好的视线遮蔽功能;d）较理想的可见光透过比和反射比，减弱紫外光的透过，并且可以加工成中空热反射玻璃、夹层热反射玻璃等复合产品。

此外，离线低辐射（Low-E）镀膜产品具有以下特点：

a）装饰效果好，多为中性色调，清淡、高雅;b）节能性较好，由于表面辐射率E低，从而具有更低的传热系数“U”值;c）舒适性能好，在隔绝热辐射的同时，很好的保证了自然采光;d）遮蔽系数Sc范围广，可满足不同地区的使用需求。

3光学薄膜分类

光学薄膜按应用分为反射膜、增透膜、滤光膜、光学保护膜、偏振膜、分光膜和位相膜。

常用的是前4种。

光学反射膜用以增加镜面反射率，常用来制造反光、折光和共振腔器件。

光学增透膜沉积在光学元件表面，用以减少表面反射，增加光学系统透射，又称减反射膜。

光学滤光膜用来进行光谱或其他光性分割，其种类多，结构复杂。

光学保护膜沉积在金属或其他软性易侵蚀材料或薄膜表面，用以增加其强度或稳定性，改进光学性质。

最常见的是金属镜面的保护膜。

3.1减反射膜

又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。

最简单的增透膜是单层膜，它是镀在光学零件光学表面上的一层折射率较低的薄膜。

当薄膜的折射率低于基体材料的折射率时,两个界面的反射系数r1和r2具有相同的位相变化。

如果膜层的光学厚度是某一波长的四分之一，相邻两束光的光程差恰好为π,即振动方向相反，叠加的结果使光学表面对该波长的反射光减少。

适当选择膜层的折射率，使得r1和r2相等，这时光学表面的反射光可以完全消除。

一般情况下，采用单层增透膜很难达到理想的增透效果,为了在单波长实现零反射,或在较宽的光谱区达到好的增透效果，往往采用双层、三层甚至更多层数的减反射膜。

减反射膜是应用最广、产量最大的一种光学薄膜，因此，它至今仍是光学薄膜技术中重要的研究课题，研究的重点是寻找新材料，设计新膜系,改进淀积工艺,使之用最少的层数，最简单、最稳定的工艺，获得尽可能高的成品率，达到最理想的效果。

对激光薄膜来说，减反射膜是激光损伤的薄弱环节，如何提高它的破坏强度，也是人们最关心的问题之一。

3.2反射膜

它的功能是增加光学表面的反射率。

反射膜一般可分为两大类，一类是金属反射膜，一类是全电介质反射膜。

此外，还有把两者结合起来的金属电介质反射膜。

一般金属都具有较大的消光系数，当光束由空气入射到金属表面时，进入金属内部的光振幅迅速衰减，使得进入金属内部的光能相应减少，而反射光能增加。

消光系数越大，光振幅衰减越迅速，进入金属内部的光能越少，反射率越高。

人们总是选择消光系数较大，光学性质较稳定的那些金属作为金属膜材料。

在紫外区常用的金属薄膜材料是铝，在可见光区常用铝和银，在红外区常用金、银和铜，此外，铬和铂也常用作一些特种薄膜的膜料。

由于铝、银、铜等材料在空气中很容易氧化而降低性能，所以必须用电介质膜加以保护。

常用的保护膜材料有一氧化硅、氟化镁、二氧化硅、三氧化二铝等。

金属反射膜的优点是制备工艺简单，工作的波长范围宽；缺点是光损耗大，反射率不可能很高。

为了使金属反射膜的反射率进一步提高，可以在膜的外侧加镀几层一定厚度的电介质层，组成金属电介质反射膜。

需要指出的是，金属电介质反射膜增加了某一波长（或者某一波区）的反射率，却破坏了金属膜中性反射的特点。

全电介质反射膜是建立在多光束干涉基础上的。

与增透膜相反，在光学表面上镀一层折射率高于基体材料的薄膜，就可以增加光学表面的反射率。

最简单的多层反射膜是由高、低折射率的二种材料交替蒸镀而成的,每层膜的光学厚度为某一波长的四分之一。

在这种条件下，参加叠加的各界面上的反射光矢量，振动方向相同。

合成振幅随着薄膜层数的增加而增加。

原则上说，全电介质反射膜的反射率可以无限接近于1，但是薄膜的散射、吸收损耗,限制了薄膜反射率的提高。

迄今为止，优质激光反射膜的反射率虽然已超过99.9%，但有一些工作还要求它的反射率继续提高。

应用于强激光系统的反射膜，则更强调它的抗激光强度，围绕提高这类薄膜的抗激光强度所开展的工作，使这类薄膜的研究更加深入。

3.3干涉滤光片

是种类最多、结构复杂的一类光学薄膜。

它的主要功能是分割光谱带。

最常见的干涉滤光片是截止滤光片和带通滤光片。

截止滤光片可以把所考虑的光谱区分成两部分，一部分不允许光通过（称为截止区），另一部分要求光充分通过（称为带通区）。

按照通带在光谱区的位置又可分为长波通和短波通二种，它们最简单的结构分别为，这里H、L分别表示厚的高、低折射率层，m为周期数。

具有以上结构的膜系称为对称周期膜系。

如果所考虑的光谱区很宽或通带透过率的波纹要求很高，膜系结构会更加复杂。

带通滤光片只允许光谱带中的一段通过，而其他部分全部被滤掉,按照它们结构的不同可分为法布里-珀罗型滤光片、多腔滤光片和诱增透滤光片。

法布里－珀罗型滤光片的结构与法－珀标准具（见法布里－珀罗干涉仪）相同，因为由它获得的透过光谱带都比较窄，所以又叫窄带干涉滤光片。

这种滤光片的透过率对薄膜的损耗非常敏感，所以制备透过率很高、半宽度又很窄的滤光片是很困难的。

多腔滤光片又叫矩形滤光片，它可以做窄带带通滤光片，又可以做宽带带通滤光片，制备波区较宽，透过率高，波纹小的多腔滤光片同样是困难的。

诱增透滤光片是在金属膜两边匹配以适当的电介质膜系，以增加势透过率，减少反射，使通带透过率增加的一类滤光片。

虽然它的通带性能不如全电介质法－珀滤光片,却有着很宽的截止特性,所以还是有很大的应用价值。

特别在紫外区，一般电介质材料吸收都比较大的情况下,它的优越性就更明显了。

3.4分光膜

根据一定的要求和一定的方式把光束分成两部分的薄膜。

分光膜主要包括波长分光膜、光强分光膜和偏振分光膜等几类。

波长分光膜又叫双色分光膜，顾名思义它是按波长区域把光束分成两部分的薄膜。

这种膜可以是一种截止滤光片或带通滤光片，所不同的是，波长分光膜不仅要考虑透过光而且要考虑反射光，二者都要求有一定形状的光谱曲线。

波长分光膜通常在一定入射角下使用，在这种情况下,由于偏振的影响，光谱曲线会发生畸变,为了克服这种影响，必须考虑薄膜的消偏振问题。

光强分光膜是按照一定的光强比把光束分成两部分的薄膜，这种薄

膜有时仅考虑某一波长，叫做单色分光膜；有时需要考虑一个光谱区域叫做宽带分光膜；用于可见光的宽带分光膜，又叫做中性分光膜。

这种膜也常在斜入射下应用，由于偏振的影响，二束光的偏振状态可以相差很多,在有些工作中，可以不考虑这种差别,但在另一些工作中（例如某些干涉仪），则要求两束光都是消偏振的，这就需要设计和制备消偏振膜。

偏振分光膜是利用光斜入射时薄膜的偏振效应制成的。

偏振分光膜可以分成棱镜型和平板型两种。

棱镜型偏振膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应（见光在分界面上的折射和反射）。

当光束总是以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是平行方向振动的光，而反射光束基本上是垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的，由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜必须镀在棱镜上，这时入射介质不是空气而是玻璃。

平板型偏振膜主要是利用在斜入射时由电介质反射膜两个偏振分量的反射带带宽的不同而制成的。

一般高反射膜，随着入射角的增大，垂直分量的反射带宽逐渐增大，而平行分量的带宽逐渐减少。

选择垂直分量的高反射区、平行分量的高透过区为工作区则可构成透过平行分量反射垂直分量的偏振膜，这种偏振膜的入射角一般选择在基体的布儒斯特角附近。

棱镜型偏振膜工作的波长范围比较宽，偏振度也可以做得比较高，但它制备较麻烦，不易做得大，抗激光强度也比较低。

平板型偏振片工作的波长区域比较窄，但它可以做得很大，抗激光强度也比较高，所以经常用在强激光系统中。

4ITO薄膜

掺锡氧化铟（IndiumTinOxide），一般简称为ITO。

ITO薄膜是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。

因此，它是液晶显示器（LCD）、等离子显示器（PDP）、电致发光显示器（EL/OLED）、触摸屏（TouchPanel）、太阳能电池以及其他电子仪表的透明电极最常用的薄膜材料。

4.1ITO薄膜基本性能

一、ITO薄膜的基本性能ITO（In2O3:

SnO2=9:

1）的微观结构，In2O3里掺入Sn后，Sn元素可以代替In2O3晶格中的In元素而以SnO2的形式存在，因为In2O3中的In元素是三价，形成SnO2时将贡献一个电子到导带上，同时在一定的缺氧状态下产生氧空穴，形成1020至1021cm-3的载流子浓度和10至30cm2/vs的迁移率。

这个机理提供了在10-4Ω.cm数量级的低薄膜电阻率，所以ITO薄膜具有半导体的导电性能。

ITO是一种宽能带薄膜材料，其带隙为3.5-4.3ev。

紫外光区产生禁带的励起吸收阈值为3.75ev，相当于330nm的波长，因此紫外光区ITO薄膜的光穿透率极低。

同时近红外区由于载流子的等离子体振动现象而产生反射，所以近红外区ITO薄膜的光透过率也是很低的，但可见光区ITO薄膜的透过率非常好，由于材料本身特定的物理化学性能，ITO薄膜具有良好的导电性和可见光区较高的光透过率。

二、影响ITO薄膜导电性能的几个因素ITO薄膜的面电阻（R）、膜厚（d）和电阻率（ρ）三者之间是相互关联的，这三者之间的计算公式是：

R=ρ/d。

由公式可以看出，为了获得不同面电阻（R）的ITO薄膜，实际上就是要获得不同的膜厚和电阻率。

一般来讲，制备ITO薄膜时要得到不同的膜层厚度比较容易，可以通过调节薄膜沉积时的沉积速率和沉积的时间来制取所需要膜层的厚度，并通过相应的工艺方法和手段能进行精确的膜层厚度和均匀性控制。

而ITO薄膜的电阻率（ρ）的大小则是ITO薄膜制备工艺的关键，电阻率（ρ）也是衡量ITO薄膜性能的一项重要指标。

公式ρ=m/ne2T给出了影响薄膜电阻率（ρ）的几种主要因素，n、T分别表示载流子浓度和载流子迁移率。

当n、T越大，薄膜的电阻率（ρ）就越小，反之亦然。

而载流子浓度（n）与ITO薄膜材料的组成有关，即组成ITO薄膜本身的锡含量和氧含量有关，为了得到较高的载流子浓度（n）可以通过调节ITO沉积材料的锡含量和氧含量来实现；而载流子迁移率（T）则与ITO薄膜的结晶状态、晶体结构和薄膜的缺陷密度有关，为了得到较高的载流