鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料及其薄膜應(yīng)用研究

修雪英 何東芮

摘 要：鈦鋯鉿氧化物具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，透過性能良好、折射率高、光吸收低、純度高等特性，因此在防護(hù)涂層、金屬氧化物的半導(dǎo)體中以及熱障涂層材料等很多方面都得到了廣泛的應(yīng)用。該文主要介紹了鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料的純度、光學(xué)性能、化學(xué)組成以及密度等方面的性質(zhì)，并分別介紹了氧化鈦、氧化鋯和氧化鉿材料以及其在光學(xué)、微電子學(xué)等方面的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鈦鋯鉿氧化物 薄膜 光學(xué)

中圖分類號：TB43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0129-02

鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料是通過加熱鈦鋯鉿氧化物使鈦鋯鉿氧化物表面的組分通過離子或者原子團(tuán)的形式被蒸發(fā)出來，并且沉降在基片的表面，然后通過散點—島狀結(jié)構(gòu)—迷走結(jié)構(gòu)—層狀生長的成膜過程形成的薄膜。鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料由于具有光吸收低、折射率高等特點，在光電學(xué)以及光學(xué)等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

1 鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料的性質(zhì)

1.1 純度

氧化鈦、氧化鋯和氧化鉿鍍膜材料的純度都在99.9%以上，材料中含有的典型材料雜質(zhì)主要包括Co、Mn、Ni、Cu、Al、Pb、Fe以及Si等，每種雜質(zhì)的含量都非常低，主要以氧化物的形式存在于材料中。不同氧化物之間的性能差別比較大，由于在這些雜質(zhì)氧化物的存在，會對薄膜材料對光的吸收量造成一定的影響，增強(qiáng)其對光的吸收，例如對于氧化鋁材料來說，其折射率為1.7，投射波段在170～6 500 nm之間。除了氧化鋁之外的其他氧化物雜質(zhì)，也會對薄膜對光的吸收造成影響，如氧化鎳的折射率為2.17，投射波段為520 nm以上，氧化亞銅的折射率為2.7，投射波段在540 nm以上，氧化鉻的折射率為2.3，投射波段在560～7 000 nm之間。正是由于這些雜質(zhì)的存在，使薄膜對光的吸收大大增強(qiáng)。不僅如此，由于雜質(zhì)氧化物的存在，還使薄膜的折射率受到了很大的影響，使整個鈦鋯鉿氧化物鍍膜的光學(xué)性能都受到了影響。因此，在鍍膜材料中，應(yīng)該避免雜質(zhì)對鍍膜材料的影響，尤其是可以強(qiáng)烈吸收光的雜質(zhì)。

1.2 光學(xué)性能

氧化鈦材料的密度為4.24 g/cm3，500 nm處的折射率為2.3，投射波段為400～12 000 nm，氧化鋯材料的密度為5.56 g/cm3，500 nm處的折射率為2.05，投射波段為300～8 000 nm，氧化鉿材料的密度為9.7 g/cm3，500 nm處的折射率為2.0，投射波段為200～12 000 nm。這三種薄膜材料在可見波段中的折射率和透過率都較高，氧化鉿材料在200 nm以上的波段都表現(xiàn)出較好的透過性，氧化鈦以及氧化鋯即使處于紫外區(qū)也具有強(qiáng)烈的光吸收能力。從氧化鈦、氧化鋯和氧化鉿鍍膜材料的光學(xué)性能上來看，氧化鈦、氧化鋯和氧化鉿鍍膜材料均具有良好的透過性能。

1.3 化學(xué)組成

鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料在成膜過程中的溫度非常接近氧化物的熔點溫度，甚至超過了氧化物的熔點溫度。氧化物材料的折射率比較高，在鍍膜過程中由于需要面臨高溫度，因此會失去氧，這就導(dǎo)致鍍膜工藝具有不穩(wěn)定的性質(zhì)[1]。為了避免這種現(xiàn)象，在鈦鋯鉿氧化物鍍膜過程中，需要對鈦鋯鉿氧化物進(jìn)行失氧處理，失氧處理的程度主要取決于不同鍍膜工藝的需求。氧化鈦蒸發(fā)材料中就包括多種形式的氧化物形式，例如二氧化鈦、一氧化鈦、三氧化二鈦、七氧化四鈦等，這些化合物都是在氧充足的情況下蒸發(fā)沉積形成薄膜的，而最終形成的薄膜成分都為二氧化鈦。蒸發(fā)鍍膜的厚度主要與基片的表面溫度、鍍膜過程中的真空度以及鍍膜時間等有關(guān)。通過蒸發(fā)鍍膜，鍍膜組分的均勻性得不到保證，尤其是對于非單一組分的鍍膜，鍍膜的均勻性更得不到保證。為了使整個鍍膜工藝更加穩(wěn)定，同時使薄膜的性能得到改善，在蒸發(fā)鍍膜的過程中，需要添加一些其他的氧化物，從而組成一種新型的復(fù)合鍍膜材料，從而提高薄膜的性質(zhì)和穩(wěn)定性。

2 鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料及薄膜的應(yīng)用

2.1 氧化鈦鍍膜材料及薄膜應(yīng)用

氧化鈦鍍膜材料在可見區(qū)域的折射率非常高，折射率500 nm處為2.3，投射波段為400～12 000 nm。氧化鈦鍍膜材料的折射率會隨著沉積速率增大而增大，當(dāng)沉積速率達(dá)到0.7 m/s的時候，其折射率可以達(dá)到2.5[2]。此外，在可見光以及紅外線的特定波段，氧化鈦的薄膜都具有較好的透過性。氧化鈦鍍膜的膜層比較緊實和緊密，將氧化鈦鍍膜和SiO2膜層進(jìn)行有效地結(jié)合，就可以制備出性能更優(yōu)的膜系，使膜系的內(nèi)應(yīng)力減少，同時延長膜系的使用壽命。氧化鈦鍍膜和其他的高折射材料相比，在各個行業(yè)和領(lǐng)域均得到了更早的應(yīng)用，在現(xiàn)階段的發(fā)展也比較成熟。正是憑借著氧化鈦鍍膜的高折射率，一般在制備多層膜系高折射率層時一般選用氧化鈦鍍膜。在實際應(yīng)用過程中，將氧化鈦鍍膜與SiO2膜層進(jìn)行結(jié)合，憑借其更優(yōu)的性能在增透膜以及各種短波通膜系中都得到了廣泛應(yīng)用。氧化鈦鍍膜的應(yīng)用非常廣泛，涉及到很多個行業(yè)，在攝影機(jī)、照相機(jī)、眼鏡、顯微鏡以及冷光鏡、反射鏡、激光鏡的防護(hù)涂層中均得到了廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為了非常常見的一種材料。

2.2 氧化鋯鍍膜材料及薄膜應(yīng)用

氧化鋯鍍膜材料在可見波段對光的吸收比較少，但是折射率卻非常高，和氧化鈦比較類似，折射率比氧化鈦稍微低一點。在一般的情況下，在可見波段，由于氧化鋯和氧化鈦對光的吸收都比較少，如果可以使用氧化鈦，就會使用氧化鈦來代替氧化鋯。但是在接近紫外波段，則一般使用氧化鋯。在制作激光膜方面，氧化鋯薄膜的抗激光損傷能力比較強(qiáng)，因此氧化鋯是一種應(yīng)用廣泛的強(qiáng)激光材料。在薄膜的制作過程中，還可以將氧化鋯和折射率低的材料進(jìn)行有效結(jié)合，形成不同要求的激光多膜層。此外，氧化鋯材料在功能薄膜材料中也得到了廣泛運用，例如常用于金屬切削工具的保護(hù)涂層、硬質(zhì)透明保護(hù)涂層等方面。氧化鋯具有較好的熱穩(wěn)定性，在溫度為1 000 ℃以下的環(huán)境中，不論是在氮氣中還是真空中都表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性[3]。此外，氧化鋯材料還具有較高的絕緣性，材料的安全性能非常高，因此在金屬氧化物的半導(dǎo)體中也得到了廣泛應(yīng)用。

2.3 氧化鉿鍍膜材料及薄膜應(yīng)用

氧化鉿鍍膜材料是一種可以應(yīng)用在紫外波段的高折射率材料，并且是唯一一種，因此這就決定了其在紫外波段是無可代替的，所以它的價格非常昂貴，因此在作為高折射率膜層時并不是人們的首選材料，相反還受到了一定的限制。氧化鉿鍍膜材料的性質(zhì)非常穩(wěn)定，光吸收非常低，抗激光損傷能力也非常強(qiáng)，因此在強(qiáng)激光領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。氧化鉿鍍膜在大功率的額醫(yī)療激光器以及船用激光器中都得到了廣泛應(yīng)用。此外，氧化鉿鍍膜材料還是一種非常好的熱障涂層材料，相變溫度達(dá)到1 600 ℃，經(jīng)過穩(wěn)定處理之后可以應(yīng)用在新型的超高溫防護(hù)涂層中。

3 結(jié)語

氧化鈦、氧化鋯和氧化鉿鍍膜材料具有純度高、高折射率、透過性能良好等特點，通過蒸發(fā)鍍膜以及真空鍍膜等成膜方式，可以保證鍍膜的純度高、濺點少、放氣量少、抗腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點，因此得到了廣泛應(yīng)用，市場規(guī)模不斷增大。

參考文獻(xiàn)

[1] 王星明，段華英，張明賢，等.鈦鋯鉿氧化物鍍膜材料及其薄膜應(yīng)用[C]//全國鋯鉿行業(yè)大會暨鋯鉿發(fā)展論壇.2006.

[2] 蔡云雨.鈦鉭氧化物復(fù)合納米薄膜的組裝及其光電化學(xué)性能研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2013.

[3] 朱俊.高介電柵介質(zhì)材料鋯（鉿）氧化物、硅酸鹽和鋁酸鹽薄膜的比較研究[D].南京大學(xué)，2003.