杭良毅,徐均琪,程耀進(jìn),蘇俊宏
(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710032;2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710065)
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鈦酸鑭薄膜的制備及工藝優(yōu)化
杭良毅1,徐均琪1,程耀進(jìn)2,蘇俊宏1
(1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西省薄膜技術(shù)與光學(xué)檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710032;2.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710065)
為了獲得制備鈦酸鑭(LaTiO3)薄膜的最優(yōu)工藝條件,采用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)在K9基底上制備了單層LaTiO3激光薄膜。研究了不同工藝條件對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷特性的影響。研究結(jié)果表明,對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷閾值(laser-induced damage threshold, LIDT)影響最大的工藝條件是沉積溫度,其次是工作真空度,最后是蒸發(fā)束流。獲得了制備單層LaTiO3激光薄膜的最優(yōu)工藝條件:沉積溫度175 ℃、工作真空度2.0×10-2Pa、蒸發(fā)束流120 mA(8 keV);證明了最優(yōu)工藝下制備的LaTiO3薄膜具有良好的激光損傷特性、穩(wěn)定性以及重復(fù)性,所制備LaTiO3薄膜的激光損傷閾值為16.9 J/cm2(1 064 nm,10 ns)。
薄膜;LaTiO3;激光損傷;工藝優(yōu)化
光學(xué)薄膜的應(yīng)用始于20世紀(jì)30年代,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于光學(xué)、微電子、材料等各個(gè)領(lǐng)域,成為現(xiàn)代光電儀器的重要組成部分[1-2]。在眾多應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)有激光的存在,光學(xué)薄膜作為激光系統(tǒng)的重要組成部分,也是整個(gè)系統(tǒng)最易損壞的薄弱環(huán)節(jié)[3-4]。薄膜的抗激光損傷能力已成為限制高能量、大功率激光系統(tǒng)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸之一[5-7],研究光學(xué)薄膜抗激光損傷能力亦成為近年來的研究熱點(diǎn)之一[8-11]。
采用電子束熱蒸發(fā)工藝制備多層光學(xué)薄膜時(shí),常用的高低折射率材料組合有TiO2/SiO2、Ta2O5/SiO2和HfO2/SiO2等,低折射率材料SiO2的激光損傷閾值(LIDT)一般高于高折射率材料,這主要是因?yàn)楦哒凵渎什牧隙酁榻饘傺趸铮阱冎七^程中容易失氧造成的。所以高折射率材料的抗激光損傷能力已成為多層膜抗激光損傷能力的短板,尋找一種光學(xué)特性良好、制備工藝穩(wěn)定、抗激光損傷能力強(qiáng)的新型高折射率材料就顯得越發(fā)具有意義。
LaTiO3是一種新型高折射率低吸收鍍膜材料,是通過特殊工藝將2種激光損傷閾值較高的材料——氧化鈦和氧化鑭化學(xué)合成得到的,主要成分為鈦酸鑭,俗稱H4[12]。LaTiO3沉積溫度約為2 200 ℃,其透明區(qū)為360 nm~7 000 nm,該材料目前在光學(xué)鍍膜行業(yè)已有一定的研究[13-15],已有人將LaTiO3作為高折射率材料來設(shè)計(jì)抗激光損傷多層膜[16]。本文采用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)制備單層LaTiO3薄膜,系統(tǒng)地研究了不同工藝條件(沉積溫度、工作真空度、蒸發(fā)束流)對(duì)其光學(xué)和激光損傷特性的影響,得到了制備單層LaTiO3激光薄膜的最優(yōu)工藝條件以及激光損傷閾值。
2.1 多因素工藝優(yōu)化實(shí)驗(yàn)
正交實(shí)驗(yàn)是處理多因素、多水平工藝的常用方法,為得到制備LaTiO3薄膜的最優(yōu)工藝,首先采用正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)了三因素三水平的正交實(shí)驗(yàn)表,即L9(34),各組實(shí)驗(yàn)的具體參數(shù)如表1所示。
表1 正交實(shí)驗(yàn)參數(shù)表
按照表1的工藝參數(shù)在鍍膜機(jī)上進(jìn)行薄膜制備,以激光損傷閾值作為評(píng)價(jià)指標(biāo),為得到制備LaTiO3激光薄膜的最佳工藝,需要對(duì)激光損傷閾值進(jìn)行檢測(cè),得到的結(jié)果如圖1所示??梢钥闯?,G4組閾值最低,G8組閾值最高,9組數(shù)據(jù)的損傷閾值在8.2 J/cm2~12.2 J/cm2之間變化,其中,G1、G4、G7三組閾值都很低。比較這幾組的制備工藝條件發(fā)現(xiàn),3組數(shù)據(jù)制備過程中工作真空度和束流都不相同,但是沉積溫度都是最低的100 ℃;G5、G8、G9三組閾值較高,通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)條件發(fā)現(xiàn),3組蒸發(fā)束流各不相同,其中,G5、G8組沉積溫度都是150 ℃,而G9組沉積溫度是200 ℃??梢缘玫揭话憬Y(jié)論:對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷閾值影響最大的因素是沉積溫度,其中沉積溫度在150 ℃附近效果比較好。這只是從薄膜損傷閾值上觀察得到的結(jié)論,要得到沉積溫度到底是否影響最顯著、工作真空度與蒸發(fā)束流又有何影響等問題的答案,還需要對(duì)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行極差分析。
圖1 LaTiO3薄膜激光損傷閾值Fig.1 LIDT of LaTiO3 films
將得到的激光損傷閾值作為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行極差分析,計(jì)算得到的各項(xiàng)參數(shù)填入表2中,其中,Kjm為第j列因素(j=A、B或C)m水平(m=1、2或3)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)指標(biāo),kjm為Kjm平均值,本實(shí)驗(yàn)中kjm=1/3Kjm。由kjm大小可以判斷第j列因素優(yōu)水平和優(yōu)組合。極差Rj=max(kjm)-min(kjm)為第j列因素的極差,反映了第j列因素水平波動(dòng)時(shí),實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度,Rj越大,說明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,根據(jù)Rj大小,可以判斷因素的主次順序。
分析3個(gè)因素的極差,發(fā)現(xiàn)RA最大,說明對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷閾值影響最顯著的條件是沉積溫度,其次是工作真空度,最后是蒸發(fā)束流。9組數(shù)據(jù)中所得最優(yōu)工藝條件是沉積溫度150 ℃、工作真空度2.0×10-2Pa、蒸發(fā)束流120 mA,即G8組,其閾值是12.2 J/cm2,這一結(jié)論與之前分析閾值所得到的結(jié)論吻合。
表2 正交試驗(yàn)極差分析表
2.2 沉積溫度對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷閾值的影響
由以上分析可知,沉積溫度對(duì)激光損傷閾值的影響最為顯著,為得到最佳制備溫度,本文對(duì)沉積溫度這一顯著因素進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn),即工作真空度2.0×10-2Pa、蒸發(fā)束流 120 mA,探究不同沉積溫度(100 ℃、125 ℃、150 ℃、175 ℃、200 ℃和225 ℃)對(duì)LaTiO3薄膜激光損傷閾值的影響,最終確定LaTiO3薄膜的最優(yōu)工藝。
不同沉積溫度下制備的LaTiO3薄膜的激光損傷閾值如圖2所示,可以看出:175 ℃制備的薄膜損傷閾值最高,為16.4 J/cm2,其余各組閾值在12.2 J/cm2~13.3 J/cm2之間浮動(dòng),變化不大,100 ℃和225 ℃薄膜損傷閾值開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì),因此,從沉積溫度對(duì)激光損傷特性的角度來說,得到制備LaTiO3薄膜最優(yōu)沉積溫度是175 ℃。
圖2 不同沉積溫度下LaTiO3薄膜激光損傷閾值Fig.2 Laser-induced damage threshold of LaTiO3 films at different deposition temperatures
薄膜激光損傷閾值的高低,是由鍍制時(shí)不同工藝條件導(dǎo)致薄膜表面產(chǎn)生的應(yīng)力缺陷或微結(jié)構(gòu)缺陷等[19]眾多因素綜合影響的結(jié)果,不同的沉積溫度會(huì)導(dǎo)致基片表面粒子遷移率發(fā)生變化,從而使薄膜結(jié)構(gòu)疏松或者緊密,進(jìn)而引起消光系數(shù)和折射率的變化。
不同沉積溫度下LaTiO3薄膜的折射率曲線如圖3(a)所示,折射率隨著波長(zhǎng)增加而減小,滿足正常色散關(guān)系,右上方插圖清楚顯示了中心波長(zhǎng)1 064 nm附近的折射率曲線,可以發(fā)現(xiàn),在1 064 nm處,當(dāng)沉積溫度從100 ℃變到225 ℃時(shí),薄膜的折射率分布在1.909~1.934 9之間,相差只有0.025 9,可見,不同沉積溫度對(duì)LaTiO3薄膜的折射率影響不大。
分析LaTiO3薄膜各組消光系數(shù),如圖3(b)所示,不同沉積溫度下,LaTiO3薄膜消光系數(shù)的變化沒有明顯的規(guī)律。圖3(b)中右上方的插圖清楚顯示了中心波長(zhǎng)1 064 nm附近的消光系數(shù)曲線,在1 064 nm處,100 ℃時(shí)薄膜的消光系數(shù)最大(2.03×10-3);150 ℃時(shí)薄膜的消光系數(shù)最小(2.868×10-5);175 ℃時(shí)薄膜的消光系數(shù)是1.09×10-3,從激光損傷閾值大小來看,除了175 ℃ 下的閾值,其余各組閾值都很接近,175 ℃時(shí)薄膜的消光系數(shù)和100 ℃ 時(shí)薄膜的消光系數(shù)也很接近,雖然不同溫度下制備的薄膜消光系數(shù)有所差異,但其值均很小,對(duì)吸收的影響可以忽略。
圖3 不同沉積溫度對(duì)LaTiO3薄膜折射率和消光系數(shù)的影響Fig.3 Influence of deposition temperature on refractive index and extinction coefficient of LaTiO3 films
2.3 最優(yōu)工藝條件穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)
由于沉積溫度175 ℃ 時(shí)薄膜的激光損傷閾值為16.4 J/cm2,其能否真正適用于光學(xué)系統(tǒng)中,還要看其工藝穩(wěn)定性。為此,在最優(yōu)工藝下(沉積溫度175 ℃、工作真空度2.0×10-2Pa、蒸發(fā)束流120 mA(8 keV))制備了多組薄膜,并對(duì)其激光損傷閾值進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果如圖4所示??梢园l(fā)現(xiàn),在相同制備工藝條件下,薄膜激光損傷閾值在16.4 J/cm2~16.9 J/cm2之間變化,平均激光損傷閾值16.7 J/cm2,幅度非常小,閾值很穩(wěn)定,因此認(rèn)為,最優(yōu)工藝條件下LaTiO3薄膜的激光損傷閾值具備重復(fù)性和穩(wěn)定性,且激光損傷閾值較高。
圖4 最優(yōu)工藝下LaTiO3薄膜的損傷閾值Fig.4 Laser-induced damage threshold of LaTiO3 films with optimum deposition processes
為進(jìn)一步明確LaTiO3薄膜激光損傷閾值的穩(wěn)定性,采用130 mJ的脈沖激光(脈寬10 ns,波長(zhǎng)1 064 nm)對(duì)以上3組樣片進(jìn)行輻照,作用后的損傷形貌圖如圖5所示,可以看出,3種相同工藝條件下沉積的LaTiO3薄膜在130 mJ能量的脈沖激光下?lián)p傷斑大小接近,形狀相似,均表現(xiàn)為部分脫落。由此可見,最優(yōu)工藝條件不論是從激光損傷閾值還是從損傷斑形貌圖來看,都具有穩(wěn)定性和重復(fù)性。
同一工藝條件下制備的3組薄膜的光學(xué)常數(shù)如圖6所示,從圖6(a)中可以發(fā)現(xiàn),3組折射率數(shù)據(jù)均滿足色散關(guān)系,在1 064 nm處,3組實(shí)驗(yàn)的折射率分別是1.926 5、1.934 9和1.947 1。從圖6(b)中可以看出,在1 064 nm處,組1消光系數(shù)最小為1.347 4×10-5;組2消光系數(shù)是1.09×10-3;組3消光系數(shù)是3.05×10-3。蒸發(fā)束流直接影響沉積速率,沉積速率的變化會(huì)形成顆粒大小和致密程度不一樣的薄膜,導(dǎo)致薄膜折射率變化,并發(fā)生吸收,從而使光學(xué)特性和激光損傷特性變差。3組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)速率分別是0.28 nm/s、0.29 nm/s、0.30 nm/s,相當(dāng)穩(wěn)定,說明這一工藝條件下折射率和消光系數(shù)具備重復(fù)性和穩(wěn)定性。
圖5 鈦酸鑭薄膜的激光損傷形貌Fig.5 Morphology of LaTiO3 thin films damaged by laser with energy of 130 mJ and pulse width of 10 ns at wavelength of 1 064 nm
圖6 最優(yōu)工藝下LaTiO3薄膜的光學(xué)常數(shù)曲線圖Fig.6 Refractive index and extinction coefficient of LaTiO3 films with optimum deposition processes
薄膜的透過率光譜采用日立U3501型分光光度計(jì)測(cè)量,3組實(shí)驗(yàn)的光譜曲線如圖7所示,圖中的插圖表示中心波長(zhǎng)1 064 nm附近的透過率曲線。在相同的鍍制條件下,3組光譜曲線偏移很小,在1 064 nm處,組1透過率為80.23%,組2透過率為79.66%,組3透過率為79.31%,變化區(qū)間0.92%;折射率變化區(qū)間是0.020 6;幾何厚度變化區(qū)間為3.4 nm,3組薄膜在中心波長(zhǎng)(1 064 nm)處均實(shí)現(xiàn)了透過率極小值。由此可以看出,LaTiO3薄膜在最優(yōu)工藝條件下光譜特性具備重復(fù)性和穩(wěn)定性。結(jié)合對(duì)光學(xué)常數(shù)的分析,可以認(rèn)為,最優(yōu)工藝條件下LaTiO3薄膜的光學(xué)特性具備重復(fù)性和穩(wěn)定性。
圖7 最優(yōu)工藝下LaTiO3薄膜的光譜曲線Fig.7 Transmittances of LaTiO3 films with optimum deposition processes
本文采用電子束熱蒸發(fā)技術(shù)在K9基底上制備了單層LaTiO3激光薄膜,探究了不同工藝條件對(duì)單層LaTiO3激光薄膜損傷閾值的影響,研究發(fā)現(xiàn):按照影響顯著程度由大到小分別是:沉積溫度、工作真空度和蒸發(fā)束流;獲得了制備單層LaTiO3激光薄膜的最優(yōu)工藝條件:沉積溫度175 ℃、工作真空度2.0×10-2Pa、蒸發(fā)束流120 mA(8 keV);證明了最優(yōu)工藝條件具備重復(fù)性和穩(wěn)定性,LaTiO3薄膜的平均激光損傷閾值是16.7 J/cm2。綜上所述,在得到單層LaTiO3激光薄膜最優(yōu)工藝的同時(shí),也證明了這是一種光學(xué)特性和激光損傷特性良好的高折射率材料,可以用于鍍制多層激光防護(hù)膜。
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Preparation of LaTiO3films and process optimization
Hang Liangyi1, Xu Junqi1, Cheng Yaojin2,Su Junhong1
(1. Shaanxi Province Thin Film Technology and Optical Test Open Key Laboratory, Xi’an Technological University, Xi’an 710032, China; 2.Key Laboratory of Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision, Xi’an 710065,China)
In order to obtain the optimum deposition processes of monolayer LaTiO3films, monolayer LaTiO3films were prepared by electron-beam thermal evaporation technique. The influence of experiment parameters on laser damage properties of LaTiO3films was investigated. Experiment results show that the greatest influence on the laser-induced damage threshold (LIDT) of LaTiO3films process conditions is the deposition temperature, followed by the gas pressure, the last is the electron beam current. The optimum deposition processes of LaTiO3films are obtained: the deposition temperature is 175 ℃, the gas pressure is 2.0×10-2Pa, the electron beam current is 120 mA(8 KeV). It is proved that the LaTiO3films prepared under the optimum processes conditions has nice laser damage characteristics and the optimum processes conditions possess stability and repeatability. The laser-induced damage threshold of LaTiO3films is 16.9 J/cm2(1 064 nm,10 ns).
thin films; LaTiO3; laser-induced damage; process optimization
1002-2082(2015)06-0948-07
2015-07-06;
2015-07-14
國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61378050);科技部國(guó)際合作資助項(xiàng)目(2013DFR70620)
杭良毅(1991-),男,陜西西安人,碩士研究生,主要從事光學(xué)薄膜激光損傷的研究工作.
E-mail:hangliangyi@sina.com。
TN205; O484
A
10.5768/JAO201536.0604003