專利名稱：一種摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)功能薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜及其磁控反應(yīng)濺射制備方法
背景技術(shù)：
據(jù)《光學(xué)手冊(cè)》(陜西科學(xué)技術(shù)出版社1986年版，609-637頁(yè))介紹，光學(xué)多層薄膜是用折射率不同的兩種或多種材料堆疊而成，當(dāng)光透過(guò)薄膜時(shí)，在每一層界面反射，不同界面的反射光之間相互干涉，從而得到各種光學(xué)效果。故通過(guò)調(diào)節(jié)控制各層的厚度可以實(shí)現(xiàn)不同的光學(xué)性質(zhì)，比如對(duì)特定波長(zhǎng)的光可使其透光率增強(qiáng)或者反射率增強(qiáng)，例如可應(yīng)用于照相機(jī)或攝像機(jī)鏡頭的增透膜，彩色攝影、彩色復(fù)印中光束分色用到的介質(zhì)截止濾光膜和帶通濾光膜，以及投影儀用到的紅綠藍(lán)三色濾光片及紅外和紫外截止的濾光片(UV-IRcut)。
傳統(tǒng)的低折射率材料SiO2可以在常溫到1000℃的溫度下光學(xué)性能不變。但傳統(tǒng)的高折射率材料，包括Nb2O5、Ta2O5或TiO2，當(dāng)工作溫度上升時(shí)，由于發(fā)生結(jié)晶或晶型變化等相變過(guò)程，會(huì)使得薄膜發(fā)生破裂、起霧或光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。據(jù)瑞士《表面與薄膜技術(shù)》(Surface&Coatings Technology，196，2005，69-75)介紹，Ta2O5材料用作光學(xué)薄膜的工作溫度不宜超過(guò)500℃；據(jù)荷蘭《表面科學(xué)應(yīng)用》(Applied Surface Science 218，2003，97-105)報(bào)導(dǎo)，TiO2材料用作光學(xué)膜在300℃就會(huì)由于結(jié)晶而使薄膜的性質(zhì)發(fā)生很大變化；瑞士《固態(tài)薄膜》(Thin Solid Films 488，2005，314-320)指出，Nb2O5材料光學(xué)膜在500℃結(jié)晶，光學(xué)性質(zhì)也隨之變化。另外，純ZrO2材料在500℃到600℃會(huì)發(fā)生相變，使膜因?yàn)閼?yīng)力而破裂，因此工作溫度都不宜超過(guò)500℃，這一點(diǎn)在《氧化鋯陶瓷及其復(fù)合材料》(化學(xué)工業(yè)出版社2004年版，2-6頁(yè))一書(shū)中也有記載。綜上所述，現(xiàn)有高折射率材料制備的光學(xué)膜能承受的溫度都不超過(guò)600℃。而市場(chǎng)上現(xiàn)有薄膜產(chǎn)品也沒(méi)有更好的耐高溫性能。例如，據(jù)http://www.pida.org.tw/ComDB/Online/85.htm介紹，臺(tái)灣圓普企業(yè)股份有限公司在網(wǎng)絡(luò)上展出的可用于較高溫度的光學(xué)薄膜產(chǎn)品，其能經(jīng)受的溫度不超過(guò)450℃。
現(xiàn)代科技的發(fā)展對(duì)光學(xué)多層薄膜提出了越來(lái)越高的要求。比如，需要用于高溫環(huán)境下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量的薄膜；投影機(jī)中的紫外一近紅外截止濾光片的作用是將光源發(fā)出的紫外和近紅外光截止，隨著投影機(jī)亮度的提高，對(duì)濾光片工作溫度的要求也不斷提高。因此提高光學(xué)薄膜的耐高溫性能是非常有意義的。
據(jù)中國(guó)《現(xiàn)代儀器》(2005年06期)介紹，反應(yīng)濺射方法現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于制備光學(xué)薄膜，包括Ti、Ta、Al、Zr、Nb或Hf的金屬氧化物或氮化物光學(xué)膜，但至今未見(jiàn)將反應(yīng)濺射制備Y和Zr或Al和Zr混合的氧化物體系用于光學(xué)膜的報(bào)導(dǎo)；據(jù)《氧化鋯陶瓷及其復(fù)合材料》(化學(xué)工業(yè)出版社2004年版，9-12頁(yè))介紹，摻雜ZrO2，特別是摻Y(jié)穩(wěn)定ZrO2的體系常用于燃料電池、耐溫耐磨以及壓電陶瓷等領(lǐng)域，但未見(jiàn)被應(yīng)用于光學(xué)薄膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷。
本發(fā)明的摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的光學(xué)膜，是由高折射率層和低折射率層交替堆疊而成的多層膜，其特征在于所述高折射率層的材料為穩(wěn)定化的氧化鋯，所述低折射率層的材料為非晶SiO2；所述穩(wěn)定化的氧化鋯是摻Y(jié)2O3或Al2O3作穩(wěn)定劑的ZrO2；若摻雜的是Y2O3，則Y2O3與ZrO2的摩爾比為7--25∶100；若摻雜的是Al2O3，則Al2O3和ZrO2的摩爾比為1.7-4.5∶10。
本發(fā)明的摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜的制備方法，包括將磁控反應(yīng)濺射儀的真空腔氣壓抽至小于0.001Pa，按氧氣與氬氣流速比1-1.5∶1通入氧氣和氬氣至腔內(nèi)氣壓為0.1-1Pa；將襯底盤與靶面平行放置，使襯底盤以每分鐘100-600轉(zhuǎn)的速度繞法線旋轉(zhuǎn)，控制金屬靶材上的濺射電源功率在0.7--4kW；或者，將自由基輔助濺射儀的真空腔氣壓抽至小于0.001Pa，氬氣流速控制在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下150-400毫升/秒，調(diào)節(jié)金屬靶材上的濺射電源的功率在1000-4000W，氧氣流速控制在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下100-400毫升/秒，氧化槍的射頻電源功率調(diào)節(jié)在1000-3000W；根據(jù)所需的成膜厚度來(lái)設(shè)定濺射時(shí)間；其特征在于所述金屬靶材采用由Y與Zr按摩爾比為14-50∶100或由Al與Zr按摩爾比為3.5-9∶10組成的混合靶材作為濺射源。
所述混合靶材可以是由Y和Zr按摩爾比為14-50∶100或由Al和Zr按摩爾比為3.5-9∶10的金屬塊拼接而成的混合金屬靶，或者是由Y和Zr按摩爾比為14-50∶100或由Al和Zr按摩爾比為3.5-9∶10組成的合金靶。
本發(fā)明摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜的制備方法，由于采用Y和Zr或者Al和Zr按上述范圍的摩爾比形成的混合靶材作為磁控反應(yīng)濺射儀的濺射源，所制備的光學(xué)薄膜濾波片或其它光學(xué)器件能夠在常溫到1000℃范圍內(nèi)工作而不會(huì)破壞其光學(xué)性能。而現(xiàn)有采用其它常用的光學(xué)材料如五氧化二鈮(Nb2O5)、五氧化二鉭(Ta2O5)或二氧化鈦(TiO2)做成的光學(xué)膜，其工作溫度范圍都在常溫到500℃；當(dāng)溫度超過(guò)500℃時(shí)，現(xiàn)有光學(xué)薄膜的膜面就會(huì)變粗糙、光散射增加或膜表面產(chǎn)生裂紋，其光學(xué)性能會(huì)被破壞。
本發(fā)明所制備的摻雜穩(wěn)定化的ZrO2材料作高折射率材料，可以使ZrO2在常溫到1000℃的高溫范圍內(nèi)保持晶相不變，從而保持在此溫度范圍內(nèi)材料的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；以SiO2作低折射率材料制備的光學(xué)多層膜可以耐1000℃甚至更高的高溫，而光學(xué)性能不改變。采用本發(fā)明方法可以制備對(duì)溫度穩(wěn)定性有一定要求的光學(xué)薄膜器件，例如投影儀光路中的紅外和紫外光截止可見(jiàn)光透過(guò)的濾波片(UV-IR cut)濾波片。應(yīng)用了具有耐高溫性能的UV-IR cut濾波片的投影儀可以采用更高功率的光源，從而使投影儀的亮度更高，分辨率也能隨之提高。本發(fā)明的摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的光學(xué)膜也可用作燈泡外層的濾紅外光的薄膜(IR cut filter)，以及在500-1000℃高溫環(huán)境下進(jìn)行光學(xué)測(cè)量用的薄膜器件。


圖1為一塊Y和Zr混合金屬板的設(shè)計(jì)示意圖；圖2為另一塊Y和Zr混合金屬板的設(shè)計(jì)示意圖。
圖3為磁控反應(yīng)濺射儀示意圖。
圖4為20層長(zhǎng)波透過(guò)濾波片在熱處理前和不同溫度熱處理后的透射率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線比較。
圖5為摻雜ZrO2和SiO2的多層膜的示意圖。
圖6為紅外和紫外光截止可見(jiàn)光透過(guò)的濾波片(UV-IR cut)熱處理前后的透射率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線比較。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1采用磁控反應(yīng)濺射制備具有耐高溫特性的長(zhǎng)波透過(guò)濾波片本實(shí)施例中采用的是日本Shincron公司生產(chǎn)的ASC-800磁控反應(yīng)濺射儀。
利用該磁控反應(yīng)濺射儀制備三氧化二釔穩(wěn)定的氧化鋯與二氧化硅(YSZ/SiO2)20層的長(zhǎng)波透過(guò)濾波片的過(guò)程如下首先制備YSZ和SiO2單層薄膜。制備YSZ層采用的金屬靶材是金屬釔(Y)和金屬鋯(Zr)拼接而成的混合金屬板，如圖1和圖2所示。圖3所示磁控濺射儀示意圖中的混合靶1需要由如圖1和圖2所示的兩塊混合金屬板并排放置而成。圖1和圖2所示的每塊混合金屬板都是用12塊金屬鋯(在圖中用P1到P24標(biāo)記的方塊)和2塊金屬釔(在圖中用Q1到Q4標(biāo)記的方塊)排列在銅板上拼接制成；每塊金屬寬51.5cm，長(zhǎng)52.5cm，厚0.8cm，將金屬塊擺成兩列，每列7塊，第一塊金屬板中的兩塊金屬釔Q1和Q2分別放在第一列的第5個(gè)的位置和第二列的第三個(gè)的位置，其他位置放置金屬鋯，第二塊金屬板中的兩塊金屬釔Q3和Q4分別放在的第二列的第3個(gè)和第6個(gè)的位置，其他位置放置金屬鋯；通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，這樣的位置鍍出來(lái)的薄膜中釔與鋯混合較均勻。
圖3為磁控濺射儀示意圖。其中，硅靶2與由圖1和圖2所示的兩塊混合金屬板并排放置而成的混合靶1分別置于真空腔3的兩側(cè)，襯底4置于真空腔內(nèi)面向靶的位置，用分子泵5將腔抽成2.0×10-4真空，并由氣路6通入氬氣與氧氣，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)7控制襯底的轉(zhuǎn)向在鍍制低折射率的二氧化硅(SiO2)膜層時(shí)使襯底轉(zhuǎn)向硅靶2，在鍍制高折射率的釔穩(wěn)定氧化鋯膜層時(shí)將襯底轉(zhuǎn)向釔鋯混合靶1。
本實(shí)施例中制備YSZ濺射過(guò)程采用的氣壓為0.17Pa，電源功率為1.5kW，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升(單位sccm)。通過(guò)能譜分析得到Y(jié)SZ薄膜中Y2O3與ZrO2的比例為9.5∶100。
制備SiO2層采用金屬Si作為靶材，濺射過(guò)程氣壓為0.17Pa，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升，電源功率為3kW，襯底用的是石英基片。
通過(guò)測(cè)量單層薄膜的厚度得到生長(zhǎng)YSZ層和SiO2層的速率生長(zhǎng)YSZ層的速率為每秒0.0884納米，生長(zhǎng)SiO2層的速率為每秒0.4981納米。
然后利用美國(guó)Thin Film Center公司的薄膜軟件Essential Macleod，依據(jù)薄膜中多次反射光束之間的干涉效應(yīng)，設(shè)計(jì)出對(duì)于波長(zhǎng)大于500納米的光透過(guò)，而波長(zhǎng)小于500納米的光截止的多層膜濾波片，本實(shí)施例中將該多層膜濾波片設(shè)計(jì)為20層。
表1給出了這20層長(zhǎng)波透過(guò)濾波片每一層的材料以及厚度的設(shè)計(jì)參數(shù)

按照以上設(shè)計(jì)的各膜層的厚度、以及前面得到的生長(zhǎng)速率，根據(jù)所需的成膜厚度來(lái)設(shè)定控制磁控反應(yīng)濺射儀鍍制每一層膜的濺射時(shí)間，交替的鍍制YSZ和SiO2層，就能制備出上面設(shè)計(jì)的20層薄膜濾光片。
檢驗(yàn)制備好的20層薄膜濾光片是否具有耐高溫性能將上述制備好的20層薄膜濾光片放入一控溫電爐中，分別選擇調(diào)節(jié)恒溫的溫度為400℃、800℃和1000℃，在每個(gè)溫度上恒溫2小時(shí)后取出，用UV-4100分光光度計(jì)測(cè)量透過(guò)率是否變化；再放回爐中，調(diào)節(jié)到下一個(gè)恒溫溫度上恒溫2小時(shí)后取出，再測(cè)量透過(guò)率是否變化；經(jīng)如此升溫、恒溫操作并用UV-4100分光光度計(jì)測(cè)量，得到不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光透過(guò)率對(duì)光波長(zhǎng)的曲線如圖4所示該濾光片對(duì)于波長(zhǎng)大于500納米的光透過(guò)率在90％以上，而對(duì)于波長(zhǎng)小于500納米的光透過(guò)率小于1％；熱處理之前的樣品的透過(guò)率光譜曲線A、400℃恒溫?zé)崽幚砗蟮耐高^(guò)率曲線B、800℃恒溫?zé)崽幚砗蟮耐高^(guò)率曲線C以及1000℃恒溫?zé)崽幚砗蟮耐高^(guò)率曲線D，這四條曲線非常接近，可見(jiàn)熱處理前后光譜性能穩(wěn)定；光學(xué)截止的邊沿變化僅在3nm之內(nèi)，可見(jiàn)從常溫到1000℃，該濾光片的光學(xué)性質(zhì)不會(huì)因?yàn)闇囟雀淖兌l(fā)生變化。
圖5為用穩(wěn)定化的ZrO2與SiO2形成的多層膜的斷面示意圖。其中高折射率層H材料是穩(wěn)定化的ZrO2；低折射率層L的材料是SiO2，兩種材料交替長(zhǎng)在石英襯底S上形成多層膜；用這種方法制備的濾波片能夠在1000℃高溫下保持光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。而以傳統(tǒng)材料例如五氧化二鈮(Nb2O5)、二氧化鈦(TiO2)或五氧化二鉭(Ta2O5)為高折射率層制備的光學(xué)膜都不能在超過(guò)500℃的溫度下保持光學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，用本發(fā)明制備的多層膜可以克服現(xiàn)有技術(shù)中薄膜的工作溫度不能太高的缺陷。
穩(wěn)定ZrO2的耐高溫性主要是因?yàn)閾诫s一定濃度雜質(zhì)以后的ZrO2能在常溫到1000℃高溫下保持晶相不變。以摻Y(jié)2O3的ZrO2為例，當(dāng)Y2O3與ZrO2摩爾比在7--25∶100，ZrO2的晶相就保持在立方相，晶相穩(wěn)定，不會(huì)因?yàn)楦邷囟l(fā)生相變。本實(shí)施例中制備得到的YSZ薄膜中Y2O3與ZrO2摩爾比為9.5∶100，因此能在常溫到1000℃環(huán)境光學(xué)性能穩(wěn)定。
只要控制所得薄膜中的Y2O3與ZrO2摩爾比在7--25∶100，該薄膜就具有耐高溫性能。
本發(fā)明的光學(xué)多層膜由穩(wěn)定化的ZrO2層與SiO2層交替堆疊而成，其耐高溫性能是源于穩(wěn)定化ZrO2層的熱穩(wěn)定性能以及它與SiO2層的匹配，因此只要研究鍍?cè)谑⒁r底(成分也為SiO2)上的單層ZrO2的熱穩(wěn)定性能就能表征ZrO2與SiO2多層膜體系的耐高溫性能。以下實(shí)施例就以單層的ZrO2為樣品檢驗(yàn)其耐高溫性能。
實(shí)施例2調(diào)節(jié)濺射電源的功率可以得到不同配比的單層YSZ薄膜的耐高溫特性對(duì)于混合金屬靶，可通過(guò)改變靶材中Y和Zr的配比，或調(diào)節(jié)其濺射電源的功率來(lái)調(diào)節(jié)最后薄膜中的Y2O3與ZrO2摩爾比例在7--25∶100，使薄膜具有耐高溫性能。這是由于在不同的功率下作用下金屬Y和金屬Zr的濺射速率比例不同，因此利用混合金屬靶制備的薄膜的配比隨功率變化而改變；而對(duì)于Y和Zr的合金靶而言，Y和Zr的濺射速率比例則是嚴(yán)格遵循合金中Y和Zr的比例，不隨功率的變化而改變，因此對(duì)于合金靶，只能通過(guò)改變靶材中Y和Zr的配比來(lái)調(diào)節(jié)最后薄膜中的Y2O3與ZrO2摩爾比例在7--25∶100，使薄膜具有耐高溫性能。
本實(shí)施例中將金屬靶的濺射電源的功率調(diào)到0.7kW以得到與實(shí)施例1不同配比的YSZ薄膜。
本實(shí)施例中利用磁控反應(yīng)濺射儀來(lái)制備YSZ透明單層膜，所用的金屬靶即實(shí)施例1中設(shè)計(jì)使用的由金屬Y和Zr拼接而成的混合靶；采用濺射過(guò)程氣壓為0.17Pa，電源功率為0.7kW，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升。
用X射線光電子能譜分析本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜，得出其Y2O3與ZrO2的摩爾比為25∶100，在這個(gè)比例下的ZrO2為穩(wěn)定化的，具有耐高溫性能。
通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度作本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜的透過(guò)率光譜的測(cè)試，所的透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線變化極小，說(shuō)明本實(shí)施例制備的該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃的高溫。
實(shí)施例3改變電源功率制備另一種配比的單層YSZ薄膜及其耐高溫特性本實(shí)施例中利用磁控反應(yīng)濺射儀制備YSZ透明單層膜所用的金屬靶即實(shí)施例1中設(shè)計(jì)使用的由金屬Y和Zr拼接而成的混合靶；采用濺射過(guò)程氣壓為0.17Pa，將電源功率調(diào)到4kW，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升。
用X射線光電子能譜分析本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜，得出其Y2O3與ZrO2的摩爾比為7∶100。
通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度作本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜透過(guò)率光譜的測(cè)試，所得透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線基本上沒(méi)有變化，說(shuō)明該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃的高溫。
實(shí)施例4采用合金靶制備的單層YSZ薄膜及其耐高溫特性如實(shí)施例2所描述，對(duì)于合金靶，只能通過(guò)改變靶材中Y和Zr的配比來(lái)調(diào)節(jié)最后薄膜中的Y2O3與ZrO2摩爾比例在7--25∶100，使薄膜具有耐高溫性能。
本實(shí)施例中利用磁控反應(yīng)濺射儀制備YSZ透明單層膜制備YSZ層所用混合靶材是由金屬Y和金屬Zr按摩爾比為50∶100燒結(jié)而成的合金靶；濺射過(guò)程氣壓為0.17Pa，電源功率為4kW，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升。
用X射線光電子能譜分析本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜，得出其Y2O3與ZrO2的摩爾比為25∶100。
通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度作本實(shí)施例中制備的YSZ薄膜透過(guò)率光譜的測(cè)試，證明透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線基本上沒(méi)有變化，說(shuō)明該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃的高溫。
實(shí)施例5以YSZ和SiO2為材料制備紅外和紫外光截止可見(jiàn)光透過(guò)的濾波片產(chǎn)品本實(shí)施例中用磁控反應(yīng)濺射儀制備紅外(波長(zhǎng)大于700納米)和紫外(波長(zhǎng)小于420nm)光截止可見(jiàn)光透過(guò)的濾波片(即投影儀里用到的UV-IR cut)。
具體實(shí)施方案為用YSZ和SiO2作多層膜材料，在石英基片的一面鍍上紅外光截止薄膜，另一端鍍上紫外光截止的薄膜，該薄膜每層需要的厚度采用實(shí)施例1中用到的多層膜的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)。
制備YSZ層所用的金屬靶即實(shí)施例1中設(shè)計(jì)使用的由金屬Y和Zr拼接而成的混合靶，濺射過(guò)程氣壓為0.17Pa，電源功率為1.5kW，制備SiO2層利用的是金屬Si作為靶材，電源功率為3kW。
檢驗(yàn)該薄膜的耐高溫性能用UV-4100分光光度計(jì)測(cè)量其透過(guò)率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線，然后把制備好的薄膜放入一控溫電爐中調(diào)節(jié)到800℃恒溫2小時(shí)后取出，再用UV-4100分光光度計(jì)測(cè)量透過(guò)率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線，與恒溫前的曲線比較。圖6中給出了紅外和紫外光截止可見(jiàn)光透過(guò)的濾波片(UV-IR cut)恒溫處理前后的透射率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線比較結(jié)果，該種濾波片的光學(xué)性質(zhì)是波長(zhǎng)為420納米到700納米的可見(jiàn)光透過(guò)率大于90％，而波長(zhǎng)小于420納米的紫外光和波長(zhǎng)大于700納米的紅外光透過(guò)率小于1％，圖6中恒溫?zé)崽幚砬暗臉悠返耐高^(guò)率曲線E為虛線，800℃恒溫?zé)崽幚砗蟮那€F為實(shí)線，通過(guò)曲線的比較可見(jiàn)恒溫?zé)崽幚砬昂蠊鈱W(xué)性能基本上沒(méi)有沒(méi)有變化，說(shuō)明該器件可以在常溫到800℃的溫度范圍正常工作。
本實(shí)施例中制備的這種紅外和紫外光截止濾波片器件與傳統(tǒng)投影儀里的紅外和紫外光截止濾波片相比能夠耐較高的溫度，因此可用于投影儀以使光源的光強(qiáng)以及投影儀的分辨率的大大提高。
實(shí)施例6單層摻Al2O3的ZrO2薄膜的耐高溫特性與YSZ不同，摻Al2O3會(huì)使ZrO2穩(wěn)定在四方晶相而非立方相，但穩(wěn)定后的ZrO2依然具有高溫下晶相穩(wěn)定、不相變的性質(zhì)，因此只要摻雜一定的濃度，使ZrO2達(dá)到穩(wěn)定，就可使所得薄膜具有耐高溫的性能；Al2O3和ZrO2的摩爾比控制在1.7-4.5∶10，ZrO2就達(dá)到穩(wěn)定，因此只要摻雜比例在這個(gè)范圍內(nèi)，ZrO2薄膜也具有耐高溫性能。
本實(shí)施例中用磁控反應(yīng)濺射儀制備摻Al2O3的ZrO2單層透明光學(xué)薄膜，將實(shí)施例1中所述靶材中金屬Y的部分用金屬Al來(lái)代替，做成Zr-Al混合金屬靶，控制濺射功率為4kW，氣壓為0.17Pa，氧氣與氬氣流速都為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下每秒100毫升，得到透明的薄膜。
通過(guò)能譜分析可知，該薄膜中Al2O3與ZrO2的摩爾比為4.5∶10；通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度對(duì)其作透過(guò)率光譜的測(cè)試，其透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線基本上沒(méi)有變化，說(shuō)明該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃的高溫。
同樣，對(duì)于金屬靶，可通過(guò)改變靶材中Al和Zr的配比，或改變其濺射電源的功率來(lái)調(diào)節(jié)最后薄膜中的Al2O3與ZrO2摩爾比例在1.7-4.5∶10，使薄膜具有耐高溫性能。
實(shí)施例7改變電源功率制備與實(shí)施例6薄膜配比不同的單層摻Al2O3的ZrO2薄膜及其耐高溫特性本實(shí)施例通過(guò)調(diào)節(jié)金屬靶的濺射電源的功率以得到配比不同于實(shí)施例6的摻Al2O3的ZrO2薄膜。
本實(shí)施例中用磁控反應(yīng)濺射儀制備摻Al2O3的ZrO2單層透明光學(xué)薄膜，同樣將實(shí)施例1中所述靶材中金屬Y的部分用金屬Al來(lái)代替，做成Zr-Al混合金屬靶，將濺射功率調(diào)為1kW，氣壓為0.17Pa，氧氣與氬氣流速都為100sccm，得到透明的薄膜。
通過(guò)能譜分析可知，本實(shí)施例所制備的透明薄膜中，Al2O3與ZrO2比例為2∶10；通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度對(duì)其作透過(guò)率光譜的測(cè)試，其透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線基本上沒(méi)有變化，說(shuō)明該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃的高溫。
實(shí)施例8采用自由基輔助濺射制備單層摻Al2O3的ZrO2薄膜薄膜本實(shí)施例中使用日本Shincron公司生產(chǎn)的RAS-1100自由基輔助濺射儀制備YSZ透明單層膜，所用的金屬靶即實(shí)施例6中設(shè)計(jì)使用的由金屬Al和Zr拼接而成的混合靶；濺射電源的功率為3kW，氬氣流速都為200sccm，氧化槍的射頻電源功率為2.5kW，氧流速為300sccm。
用X射線光電子能譜分析所得到的摻Al2O3的ZrO2透明單層膜，其Al2O3與ZrO2的摩爾比為1.7∶10；通過(guò)在400℃到1000℃的溫度范圍內(nèi)選取幾個(gè)溫度對(duì)該摻Al2O3的ZrO2，透明單層膜作透過(guò)率光譜的測(cè)試，其透過(guò)率曲線對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的曲線基本上沒(méi)有變化，說(shuō)明該薄膜光學(xué)性能穩(wěn)定，可以耐不低于1000℃高溫。
綜上所述，利用本發(fā)明方法所制備的光學(xué)薄膜濾波片以及其它光學(xué)器件，能夠在常溫到1000℃工作溫度下正常工作而不會(huì)破壞其光學(xué)性能。隨著現(xiàn)在光電技術(shù)的發(fā)展，很多情況對(duì)薄膜的耐高溫性能有很高要求，用現(xiàn)有傳統(tǒng)材料制備的光學(xué)膜已達(dá)不到這種要求，而本發(fā)明制備的光學(xué)膜則可以勝任。
權(quán)利要求
1.一種摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的光學(xué)膜，是由高折射率層和低折射率層交替堆疊而成的多層膜，其特征在于所述高折射率層的材料為穩(wěn)定化的氧化鋯，所述低折射率層的材料為非晶SiO2；所述穩(wěn)定化的氧化鋯是摻Y(jié)2O3或Al2O3作穩(wěn)定劑的ZrO2；若摻雜的是Y2O3，則Y2O3與ZrO2的摩爾比為5--25∶100；若摻雜的是Al2O3，則Al2O3和ZrO2的摩爾比為1.7-4.5∶10。
2.一種摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜的制備方法，包括將磁控反應(yīng)濺射儀的真空腔氣壓抽至小于0.001Pa，按氧氣與氬氣流速比1-1.5∶1通入氧氣和氬氣至腔內(nèi)氣壓為0.1-1Pa；將襯底盤與靶面平行放置，使襯底盤以每分鐘100-600轉(zhuǎn)的速度繞法線旋轉(zhuǎn)，控制金屬靶材上的濺射電源功率在0.7--4kW；或者，將自由基輔助濺射儀的真空腔氣壓抽至小于0.001Pa，氬氣流速控制在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下150-400毫升/秒，調(diào)節(jié)金屬靶材上的濺射電源的功率在1000-4000W，氧氣流速控制在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下100-400毫升/秒，氧化槍的射頻電源功率調(diào)節(jié)在1000-3000W；根據(jù)所需的成膜厚度來(lái)設(shè)定濺射時(shí)間；其特征在于所述金屬靶材采用由Y與Zr按摩爾比為10-50∶100或由Al與Zr按摩爾比為3.5-9∶10組成的混合靶材作為濺射源。
3.如權(quán)利要求2所述摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜的制備方法，特征在于所述混合靶材為由Y和Zr按摩爾比為10-50∶100或由Al和Zr按摩爾比為3.5-9∶10的金屬塊拼接而成的混合金屬靶，或者是由Y和Zr按摩爾比為10-50∶100或由Al和Zr按摩爾比為3.5-9∶10組成的合金靶。
全文摘要
本發(fā)明摻雜穩(wěn)定化氧化鋯的耐高溫光學(xué)膜及其制備方法，特征是采用磁控反應(yīng)濺射儀或自由基輔助濺射儀，由Y與Zr按摩爾比為10－50∶100或由Al與Zr按摩爾比為3.5－9∶10組成的混合靶材作為濺射源；所得到的由穩(wěn)定化的氧化鋯高折射率層和非晶SiO
文檔編號(hào)C23C14/35GK1996055SQ20061016133
公開(kāi)日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者黃烽, 王海千, 李明, 謝斌, 侯建國(guó), 宋亦周, 姜友松 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)