真空度對(duì)Ni80Cr20薄膜中性度的影響

張勇喜++金秀++楊文華++張艷姝++任少鵬++王瑞生++胡雯雯++楊曉宇+??

摘要： 理論計(jì)算了Ni、Cr和Ni80Cr20三種材料的光學(xué)特性，確定了鎳鉻成份變化對(duì)Ni80Cr20的影響。在高低兩個(gè)真空度條件下采用電子槍蒸發(fā)工藝進(jìn)行了Ni80Cr20的鍍膜實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，低真空度時(shí)“薄”膜的中性度較好，而高真空度時(shí)“厚”膜中性度較好。采用X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)“薄”膜鉻含量高于膜料，而“厚”膜更高，高真空度薄膜略有氧化，而低真空度氧化更嚴(yán)重。從殘余氣體和蒸發(fā)方式方面分析了鎳鉻成份差異的原因，再結(jié)合氧化對(duì)薄膜特性的影響，確定了不同真空度薄膜中性度差異的原因。

關(guān)鍵詞：

中性密度濾光片； 中性度； 鎳鉻合金； 電子槍； 蒸發(fā)； 分餾

中圖分類號(hào)： O 484.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.01.011

The influence of vacuum on neutrality of Ni80Cr20 filter

ZHANG Yongxi， JIN Xiu， YANG Wenhua， ZHANG Yanshu， REN Shaopeng，

WANG Ruisheng， HU Wenwen， YANG Xiaoyu

（Shenyang Academy of Instrumentation Science Co.，Ltd.， Shenyang 110043， China）

Abstract：

The optical characteristics of Ni，Cr and Ni80Cr20 were calculated in theory to determine the impact on Ni80Cr20 when changing the proportions of nickel and chromium.Electron gun evaporation experiments were carried out separately at high vacuum and low vacuum conditions.The results showed that the "thin" film had better neutrality when coated at low vacuum，while the "thick" film had better neutrality when coated at high vacuum.Xray spectroscopy analysis found that the "thin" film had a little more chromium and the "thick" film even had much more chromium than the amount in coating material.Furthermore，the film is slightly oxidized at high vacuum and even severely at low vacuum condition.The influence in the compositions of nickel and chromium in the film by residual gas and evaporation way was analyzed.The influence over the optical characteristics by oxidation was discussed.The reason for different neutrality of films coated at different vacuum was found.

Keywords： neutral density optical filters； neutrality； nickelchromium alloy； electron gun； evaporation； fractionation

引言

中性密度濾光片是一種起光能衰減作用的光學(xué)元件，這種衰減作用在一定程度上是非選擇性的。中性密度濾光片對(duì)不同波長(zhǎng)光線的衰減能力大致相同，只起到減弱光線的作用，而對(duì)原物體的顏色不會(huì)產(chǎn)生任何影響，可以真實(shí)再現(xiàn)景物的色差，因而在攝影領(lǐng)域被用作減光鏡，在其他光學(xué)系統(tǒng)中則用于多波段減光，或者用于系統(tǒng)定標(biāo)。

中性密度濾光片的生產(chǎn)方式很多，最常用的是在玻璃基底上鍍制單層鎳、鉻或鎳鉻合金膜[13] 。鎳鉻合金的種類較多，但常用的是Ni80Cr20。然而，由于合金材料蒸發(fā)時(shí)存在分餾現(xiàn)象，所以采用熱蒸發(fā)工藝鍍制Ni80Cr20時(shí)工藝穩(wěn)定性和重復(fù)性較差，蒸鍍條件對(duì)薄膜的中性度有很大影響。本文從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，研究了真空度對(duì)電子束蒸發(fā)Ni80Cr20膜中性度的影響。

1鎳、鉻及Ni80Cr20光學(xué)特性

中性度[4]是中性密度濾光片的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，是指在某一波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光密度（optical density，OD）隨波長(zhǎng)變化的差異程度，它是一個(gè)衡量密度片對(duì)不同波長(zhǎng)光的衰減程度的量。標(biāo)準(zhǔn)《線性漸變中性濾光片》（JB/T 11532—2013）將可見(jiàn)區(qū)400～700 nm間的中性程度定義為“標(biāo)準(zhǔn)中性度”，計(jì)算方式如下。

對(duì)于任意一條實(shí)測(cè)的光密度曲線（如圖1所示），其中性度可按下式計(jì)算：

ND=（Dmax-Dmin）2Davg×100%

（1）

式中Dmax、Dmin和Davg分別為光密度測(cè)試曲線的最大值、最小值和平均值。

標(biāo)準(zhǔn)中性度適合于可見(jiàn)區(qū)波段中性度的評(píng)價(jià)，對(duì)于其他波段或者特殊波段范圍的中性度評(píng)價(jià)可參考文獻(xiàn)[5]?？傊?，中性密度濾光片的中性度數(shù)值越低，表示光密度對(duì)波長(zhǎng)越不敏感，密度片的中性度越好。

由于蒸鍍合金容易分餾，為鍍制出中性度良好的Ni80Cr20薄膜，需要先對(duì)鎳和鉻的光學(xué)特性以及鎳、鉻的成份變化對(duì)Ni80Cr20薄膜的影響進(jìn)行研究。鎳和鉻的光譜特性可以直接用膜系設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出來(lái)，而Ni80Cr20需要按照洛倫茲洛倫茨公式先計(jì)算出其折射率n和消光系數(shù)k，生成新的薄膜材料，再用軟件進(jìn)行計(jì)算。我們用麥克勞德軟件計(jì)算了不同厚度時(shí)的鎳、鉻和Ni80Cr20三種材料在400～700 nm間的光密度曲線，列舉部分曲線如圖2所示。通過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)，鎳和鉻的光學(xué)特性正好相反，鉻在短波具有較高的光密度，而鎳在長(zhǎng)波具有較高的光密度，如果鍍膜時(shí)能準(zhǔn)確控制鎳鉻合金膜的成份，那么在任意光密度都能獲得最佳的中性度。

2Ni80Cr20高、低真空度的鍍膜實(shí)驗(yàn)

為減少膜料分子與殘留氣體分子之間的碰撞和反應(yīng)，以提高成膜質(zhì)量，通常希望鍍膜時(shí)的真空度越高越好。而實(shí)際鍍膜生產(chǎn)過(guò)程既需要考慮成膜質(zhì)量也需要兼顧生產(chǎn)效率，通常只固定本底真空度，而忽略設(shè)備在一個(gè)清潔周期內(nèi)鍍膜真空度的差異。由于鍍制Ni80Cr20膜不需要使用離子源或者充入其他氣體，所以鍍膜真空度與本底真空度是正相關(guān)的，但不線性相關(guān)。在本底真空度不是很高的情況下，殘留氣體就占有一定的氣體分壓，就會(huì)影響合金蒸發(fā)過(guò)程和改變薄膜成份，甚至?xí)c膜料分子發(fā)生反應(yīng)。

為研究真空度對(duì)蒸鍍Ni80Cr20膜的影響，我們?cè)?×10-4 Pa和4×10-3 Pa的本底真空度條件下分別鍍制了OD 0.4和OD 2.0兩個(gè)光密度的實(shí)驗(yàn)樣品，鍍膜過(guò)程的真空度為2×10-3～3×10-3 Pa和7×10-3～8×10-3 Pa。其他實(shí)驗(yàn)條件為：EPD500電子槍蒸發(fā)鍍膜機(jī)，烘烤溫度120 ℃，電子槍銅坩堝30 mL，Ni80Cr20整塊料填滿坩堝。

我們先對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行光譜檢測(cè)，將測(cè)試數(shù)據(jù)與理論曲線進(jìn)行比較，如圖3所示。對(duì)圖3（a），高真空度時(shí)中性度為8.4%，低真空度時(shí)中性度為4.0%，低真空度時(shí)優(yōu)于高真空度。對(duì)圖3（b），高真空度時(shí)中性度為7.4%，低真空度時(shí)中性度為10%，低真空度時(shí)劣于高真空度。實(shí)驗(yàn)得出兩點(diǎn)結(jié)果：對(duì)于OD 0.4的膜，低真空度的中性度較好，但都比理論值好，對(duì)于OD 2.0的膜，高真空度的中性度較好，但都比理論值差；晶體膜厚控制儀測(cè)量的厚度相同，但低真空度的薄膜光密度比高真空度的低。

為進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論曲線的差異，我們采用了X射線能譜分析的方法對(duì)薄膜的成分進(jìn)行了分析。為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果，在玻璃基底和硅基底上同時(shí)進(jìn)行鍍膜，玻璃基底的膜用于光學(xué)性能檢測(cè)，硅基底的膜用于成份分析，以消除其他元素的影響。成份檢測(cè)結(jié)果如表1和圖4所示。

從鎳鉻含量比來(lái)看，OD 0.4時(shí)鉻的成份略高于基材，而OD 2.0時(shí)鉻的成份有較大提高。從氧含量來(lái)看，高真空度時(shí)氧含量低于低真空度時(shí)的氧含量。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1真空度對(duì)鎳、鉻比例影響

表2[6]給出了鎳和鉻在不同真空度時(shí)的飽和蒸汽壓，可以看到，在相同的溫度條件下，鉻的飽和蒸汽壓比鎳約大一個(gè)量級(jí)，所以鉻比鎳容易蒸發(fā)。結(jié)合合金的蒸發(fā)速率公式[78]和有氣體殘留的蒸發(fā)速率公式[9]，可得出有氣體殘留的合金膜蒸發(fā)速率公式如下：

WA=4.376×10-4NA（PA-P殘留）MAT

（2）

式中：PA為蒸發(fā)物質(zhì)A在溫度T時(shí)的飽和蒸汽壓；MA為分子量；NA為摩爾百分?jǐn)?shù)；P殘留為本底真空度。

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出不同蒸發(fā)溫度下Ni80Cr20合金中鎳和鉻的蒸發(fā)速率或者速率之比。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，蒸發(fā)溫度約1 500 ℃，計(jì)算結(jié)果為：7×10-4Pa時(shí)鉻、鎳蒸發(fā)速率比為2.656∶1；4×10-3Pa時(shí)為2.664∶1。從計(jì)算結(jié)果看，低真空度時(shí)鉻的比例會(huì)略高，這與成份檢測(cè)結(jié)果相符。根據(jù)前面對(duì)鎳、鉻光學(xué)特性的分析，鉻含量的增加將提高薄膜在短波區(qū)域的光密度。對(duì)于OD 0.4的膜，鉻含量增加將改善膜的中性度，含量越高，改善越明顯，所以低真空度的膜中性度優(yōu)于高真空度。而對(duì)于OD 2.0的膜，鉻增加使中性度變得更差，所以低真空度的膜中性度差于高真空度。

3.2蒸鍍方式對(duì)鎳、鉻比例的影響

OD 0.4的膜層很薄，鍍膜時(shí)間很短，鉻優(yōu)先蒸發(fā)，所得到的膜層鉻含量會(huì)增加，中性度優(yōu)于理論值。而OD 2.0的膜層較厚，鍍膜時(shí)間較長(zhǎng)，初期蒸發(fā)時(shí)鉻濃度高，但到后期則與材料本身有關(guān)。如果是用一次鍍膜基本用完的小塊膜料，整個(gè)膜料都處于熔融狀態(tài)，那么膜材中鉻成份會(huì)逐步減少，膜層中鉻的濃度會(huì)降低，最后達(dá)到膜材相當(dāng)?shù)谋确?。但是?duì)于重復(fù)使用的大塊膜料，蒸發(fā)過(guò)程只有部分膜料處于熔融狀態(tài)，那么熔融態(tài)的膜料中的鉻會(huì)不斷得到補(bǔ)充[10]，補(bǔ)充多少與膜料的溫度有關(guān)，在這種條件下，還將獲得高濃度鉻的膜層。本實(shí)驗(yàn)采用了大塊鎳鉻合金材料，故OD 2.0時(shí)鉻的比例比OD 0.4時(shí)的鉻還高。

3.3真空度對(duì)氧含量的影響

金屬鍍膜會(huì)存在一定的氧化現(xiàn)象，鍍膜真空度高，殘余氣體少，被氧化就少；真空度低，殘余氣體多，被氧化就多，這可從氧成份占比得到印證。由于氧化鉻和氧化鎳在可見(jiàn)區(qū)基本透明，在膜厚相同的條件下，含氧化物多的膜光密度自然就低，所以低真空度的光密度比高真空度的低。另外，由于氧化鉻和氧化鎳長(zhǎng)波透射率偏高[1112]，因此，對(duì)于OD 0.4的薄膜，在短波區(qū)域由于鉻含量增加提高了光密度，在長(zhǎng)波區(qū)域由于氧化的原因降低了光密度，所以低真空時(shí)中性度優(yōu)于高真空度；對(duì)于OD 2.0的薄膜，中性方向與OD 0.4相反，在短波區(qū)域光密度增加而在長(zhǎng)波區(qū)域減少，更加惡化了膜層的中性度，所以高真空度時(shí)中性度更佳。

4結(jié)論

用電子槍蒸鍍金屬合金其蒸鍍結(jié)果受鍍膜工藝影響很大，為獲得重復(fù)一致的結(jié)果，必須嚴(yán)格控制鍍膜工藝。真空度對(duì)金屬膜的氧化有重大影響，在大多數(shù)情況下，鍍制金屬膜的真空度越高越好。但對(duì)于“薄”膜（光密度低于1），由于其中性特性是短波光密度低于長(zhǎng)波，故可以借助氧化的作用提升光譜中性度，而對(duì)于“厚”膜（光密度大于2），需盡量減少氧化，減少鉻的占比來(lái)提升中性度。

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（編輯：劉鐵英）