Tecnología de preparación y perspectivas de desarrollo de películas ópticas.
Los científicos predicen que el siglo XXI será el siglo de los fotones. Con el rápido desarrollo de la tecnología optoelectrónica a principios del siglo XX, la aplicación de dispositivos ópticos de película delgada se está desarrollando rápidamente hacia mayores requisitos de rendimiento y dificultad técnica, un alcance de aplicación y campos de conocimiento más amplios, y más tipos y necesidades de dispositivos. El desarrollo de la tecnología óptica de película delgada ha jugado un papel muy importante en la promoción de la modernización de la ciencia y la tecnología y la miniaturización de los instrumentos. Las películas ópticas se han utilizado ampliamente en diversas ciencias y tecnologías emergentes.
1. Tecnología de fabricación de películas delgadas ópticas
Las películas delgadas ópticas se pueden preparar mediante deposición física de vapor (PVD), deposición química de vapor (CVD) y deposición química líquida (CLD).
1. Deposición física de vapor (PVD)
El PVD requiere el uso de una máquina de recubrimiento al vacío y tiene altos costos de fabricación. Sin embargo, el espesor de la película se puede controlar con precisión y la resistencia de la película. es bueno, por lo que se ha utilizado ampliamente. En el método PVD, según los diferentes métodos de vaporización de materiales de película delgada, se divide en tecnologías de evaporación térmica, pulverización catódica, revestimiento iónico y revestimiento asistido por iones. Entre ellas, las películas ópticas delgadas se producen principalmente mediante evaporación térmica y tecnologías de recubrimiento asistido por iones. Las tecnologías de pulverización catódica y revestimiento iónico de películas ópticas delgadas apenas comenzaron en los últimos años.
1.1 Evaporación térmica
Los dispositivos ópticos de película delgada se fabrican principalmente mediante evaporación térmica en un ambiente de vacío, lo cual es simple, económico y fácil de operar. Aunque la tecnología de preparación de películas ópticas delgadas ha logrado grandes avances, la evaporación térmica al vacío sigue siendo el método de deposición más importante. Por supuesto, la evaporación térmica en sí también está sincronizada con el desarrollo de la ciencia y la tecnología. En la cámara de vacío, la materia prima que se va a formar en una película delgada en el recipiente de evaporación se calienta, lo que hace que sus átomos o moléculas se evaporen y escapen de la superficie para formar un flujo de vapor, que incide sobre la superficie de un sólido ( llamado sustrato o sustrato) y se condensa para formar una película sólida.
Los tres procesos básicos de la evaporación térmica: el proceso de cambio de fase de la fase condensada a la fase gaseosa; el transporte de los átomos o moléculas evaporados entre la fuente de evaporación y el sustrato, es decir, el vuelo de estos; partículas en la atmósfera ambiental Proceso; la deposición de átomos o moléculas evaporados sobre la superficie de un sustrato.
1.2 Sputtering
El sputtering se refiere al bombardeo de la superficie de un material de película delgada con iones positivos de alta velocidad y la absorción completa de sus moléculas o átomos mediante transferencia de impulso.
Se escapa suficiente energía cinética de la superficie objetivo (sputtering) y se condensa para formar una película en la superficie de la pieza galvanizada.
En comparación con la evaporación, tiene las ventajas de una fuerte adhesión al sustrato, una alta pureza de la película y la capacidad de pulverizar películas de aleación o compuestos de diferentes composiciones al mismo tiempo. Las desventajas son: la necesidad de; Prepare un objetivo de película especial y la tasa de utilización del objetivo es baja.
Hay tres métodos de pulverización catódica: pulverización catódica de dos etapas, pulverización catódica de tres y cuatro etapas y pulverización catódica por radiofrecuencia.
1.3 Recubrimiento iónico
El recubrimiento iónico tiene tanto la alta tasa de formación de película por evaporación térmica como el excelente efecto del bombardeo de iones de alta energía mediante pulverización catódica para obtener una película densa. La película tiene una fuerte adherencia y densidad. Tipos comunes de revestimiento de iones: fuente de evaporación y método de ionización.
Características:
a. La película de pintura tiene una fuerte adherencia. Esto es causado por inyección y chisporroteo.
b. El rendimiento del revestimiento del bobinado es bueno. En principio, el cable de alimentación se puede pintar en cualquier lugar, lo que resulta beneficioso para el pintado de piezas complejas.
c.La capa de película es densa. La pulverización catódica destruye la formación de estructuras columnares en la película.
d. Alta tasa de formación de película. Tasa de formación de película equivalente a la evaporación térmica.
e.Se puede aplicar sobre piezas de cualquier material. Los aisladores pueden aplicar campos eléctricos de alta frecuencia.
1.4 Galvanoplastia asistida por partículas
En la tecnología de recubrimiento por evaporación térmica, se agrega una fuente de iones generadora de iones para generar haces de iones. Mientras se lleva a cabo la evaporación térmica, la película en crecimiento se bombardea con haces de iones para formar una estructura densa y uniforme (densidad de agregación cercana a 1), aumentando así la estabilidad de la película y mejorando las propiedades ópticas y mecánicas de la película.
En comparación con la tecnología de revestimiento iónico, la tecnología de revestimiento asistido por iones tiene un mejor rendimiento óptico, menos absorción de la película, una pequeña deriva de longitud de onda y buena firmeza. Esta tecnología es adecuada para revestir sustratos a temperatura ambiente y películas de óxido de alto punto de fusión, como dióxido de circonio y dióxido de titanio. También es adecuada para revestir películas de densidad variable, espectrómetros de alta calidad y filtros ópticos de alto rendimiento.
2. Deposición química de vapor (CVD)
La deposición química de vapor (CVD) es una tecnología que utiliza reactivos precursores gaseosos para generar películas sólidas a través de reacciones químicas entre átomos y moléculas.
La CVD generalmente requiere temperaturas de deposición más altas, requiere reactivos precursores especiales antes de la formación de la película y produce algunos subproductos inflamables y tóxicos durante el proceso de formación de la película. Sin embargo, la tasa de deposición de películas preparadas mediante tecnología CVD suele ser mayor.
3. Deposición química líquida (CLD)
CLD tiene un proceso simple y un bajo costo de fabricación, pero el espesor de la película no se puede controlar con precisión, la resistencia de la película es pobre y es difícil. para obtener películas multicapa, y hay aguas residuales Debido a problemas de contaminación de los gases de escape, rara vez se ha utilizado.
2. Tipos de películas ópticas
Diversos dispositivos ópticos de película delgada hechos de películas ópticas funcionales se han convertido en componentes indispensables en sistemas ópticos e instrumentos ópticos. Sus aplicaciones se han desarrollado desde instrumentos ópticos tradicionales hasta astrofísica, aeroespacial, láseres, ingeniería eléctrica, comunicaciones, materiales, arquitectura, biomedicina, física de infrarrojos, agricultura y muchos otros campos técnicos.
Se divide en: película óptica básica, película de control de luz y materiales de película óptica.
1. Película óptica básica
La película óptica básica se refiere a una película que puede lograr transmisión espectral, reflexión espectral, absorción espectral y cambiar el estado de polarización o fase de la luz, y puede ser Se utiliza para diversas películas reflectantes, revestimientos antirreflectantes y filtros de interferencia. Otorga diversas propiedades a los elementos ópticos y juega un papel decisivo para garantizar la calidad de los instrumentos ópticos.
1.1 Película antirreflectante (película antirreflectante)
La película antirreflectante es una película funcional que se utiliza para reducir la pérdida por reflexión en la superficie de los elementos ópticos. Puede constar de sistemas de membranas monocapa o multicapa. Una película de una sola capa puede hacer que la reflectividad de una determinada longitud de onda sea cero, y la reflectividad de una película de varias capas en una determinada banda de longitud de onda es en realidad cero. En las aplicaciones, debido a las diferentes condiciones y objetos de aplicación, el tipo de recubrimiento antirreflectante utilizado está relacionado con muchos factores, como el material base, el dominio de la longitud de onda, las características requeridas y el costo.
1. Película antirreflectante monocapa
Para reducir el consumo de luz por reflexión y aumentar la transmitancia de la luz, se suele depositar una película antirreflectante en la superficie. del vaso. Su principio es el fenómeno de interferencia de la luz. Siempre que el índice de refracción de la película sea menor que el índice de refracción del sustrato de vidrio, se puede lograr el efecto antirreflectante de la luz.
b. Revestimiento antirreflectante multicapa
El revestimiento antirreflectante multicapa se utiliza principalmente para mejorar las deficiencias del revestimiento antirreflectante de una sola capa y mejorar aún más el efecto. de revestimiento antirreflectante, por lo que adopta una medida del número de capas de película.
1.2 Película reflectante
La función de la película reflectante es opuesta a la de la película antirreflectante, que debe reflejar la mayor parte o casi toda la luz incidente. Tales como instrumentos ópticos, láseres, guías de ondas, automóviles, lámparas y espejos, todos requieren la deposición y recubrimiento de películas reflectantes. Hay dos tipos de películas reflectantes: películas metálicas y películas dieléctricas.
1. Película reflectante de metal
La película reflectante de metal tiene una alta reflectividad y cierta capacidad de absorción. Las películas metálicas altamente reflectantes sólo se utilizan en situaciones en las que no existen requisitos especiales para la pérdida de absorción de la película.
b. Película reflectante dieléctrica
La pérdida de absorción de la película metálica altamente reflectante es grande. En algunas aplicaciones, como interferómetros de haces múltiples y revestimientos reflectantes para láseres de alta calidad, es necesario depositar revestimientos altamente reflectantes, totalmente dieléctricos, de baja absorción y alta reflexión.
2. Película de control de luz
La película de control de luz se divide en tres tipos: película de control de luz solar, película de baja emisividad y película de rendimiento óptico variable.
2.1, Película de control de la luz solar
Cubra una película óptica sobre el vidrio para que el vidrio tenga una alta transmitancia a la parte visible del sol y una alta transmitancia a la parte infrarroja del sol. sol Alta reflectividad y alta tasa de absorción de la parte ultravioleta de la luz solar. Convertirlo en vidrio de muro cortina con revestimiento solar puede garantizar suficiente brillo en el edificio durante el día, etc.
2.2. Película de baja emisividad
Una película de baja emisividad que se recubre sobre la superficie del vidrio se denomina película de baja emisividad, comúnmente conocida como película termoaislante. Alta reflectividad de los rayos infrarrojos.
2.3. Las propiedades ópticas de la película se pueden cambiar
La película de propiedades ópticas variables se refiere a un material funcional óptico con amplias perspectivas de aplicación. Cambia de tipo bajo la influencia de la película. ambiente externo. La respuesta a la luz de una sustancia hace que cambie de color y se recupere bajo ciertas condiciones externas (calor, luz, electricidad).
3. Materiales ópticos de película delgada
3.1, Metales y aleaciones
Los metales y aleaciones son películas delgadas ampliamente utilizadas con alta reflectividad, gran ancho de banda de corte, Medio Tiene las características de buena estabilidad, pequeño efecto de polarización y absorción variable. Desempeñan un papel particularmente importante en algunos sistemas de películas especiales.
3.2.Compuestos (dieléctricos)
Los compuestos son películas ópticas importantes y ampliamente utilizadas, que incluyen haluros, óxidos, sulfuros y seleniuros.
3.3. Semiconductores
Los materiales semiconductores son transparentes en las regiones del infrarrojo cercano y lejano y son importantes materiales ópticos de película delgada. Los materiales semiconductores más utilizados en películas ópticas son el silicio y el germanio.
3. Tendencias de investigación de películas ópticas
Según el estado de la investigación de la óptica y las películas ópticas en el país y en el extranjero, la investigación sobre películas ópticas muestra las siguientes tendencias de desarrollo:
1. Continuar prestando atención a la investigación y el desarrollo de la aplicación de películas ópticas en instrumentos ópticos tradicionales, mejorar la calidad óptica de las películas y estudiar la tecnología de recubrimiento de gran superficie y sus aplicaciones;
2. Desarrollar películas ópticas que cumplan con los requisitos de nuevos instrumentos ópticos de precisión y dispositivos optoelectrónicos y métodos de preparación de materiales para satisfacer las necesidades cada vez más urgentes de la óptica moderna, la tecnología espacial, la tecnología militar y la tecnología de redes totalmente ópticas;
3. Desarrollar tecnología de preparación para películas ópticas delgadas en condiciones espectrales extremas, como filtros multiplexores por división de longitud de onda densa de banda ultraestrecha, películas suaves de rayos X, películas láser de alta potencia, etc.
4. Desarrollar "películas ópticas verdes" que estén estrechamente relacionadas con la protección del medio ambiente y lograr la coordinación entre la energía luminosa y las necesidades de la salud humana.
5. Formación de película. La observación in situ permite el control automático del proceso de recubrimiento y el recubrimiento ultrarrápido a baja temperatura.
Hoy en día, las películas ópticas han experimentado grandes avances y la producción de películas ópticas se ha ido serializando, programando y especializando gradualmente. Sin embargo, todavía quedan muchos problemas por resolver en la investigación de películas ópticas y es necesario mejorar aún más el nivel existente de películas ópticas. Los científicos predicen que el siglo XXI será el siglo de los fotones, como importante medio para transmitir fotones y realizar sus diversas funciones, las películas ópticas seguramente lograrán mayor prosperidad y desarrollo al tiempo que lograrán avances en óptica, optoelectrónica y fotónica.
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