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光学薄膜_朱振刚_新浪博客

         光学薄膜
        光学薄膜泛指在光学器件或光电子元器件表面用物理化学等方法沉积的、利用光的干涉现象以改变其光学特性来产生增透、反射、分光、分色、带通或截止等光学现象的各类膜系。它可分为增透膜、高反膜、滤光膜、分光膜、偏振与消偏振膜等。光电信息产业中最有发展前景的通讯、显示和存储三大类产品都离不开光学薄膜，如投影机、背投影电视机、数码照相机、摄像机、DVD，以及光通讯中的DWDM、GFF滤光片等，光学薄膜的性能在很大程度上决定了这些产品的最终性能。光学薄膜正在突破传统的范畴，越来越广泛地渗透到从空间探测器、集成电路、生物芯片、激光器件、液晶显示到集成光学等各学科领域中，对科学技术的进步和全球经济的发展都起着重要的作用，研究光学薄膜物理特性及其技术已构成现代科技的一个分支——薄膜光学。光学薄膜技术水平已成为衡量一个国家光电信息等高新技术产业科技发展水平的关键技术之一。
      光学薄膜、光电子薄膜及光学有机薄膜
      光学薄膜、光电子薄膜及光学有机薄膜摘要　科学的发展正在改变传统的光学薄膜的面貌，其应用也由原来的纯粹为光学仪器服务，逐渐渗透到通信、建筑、防伪、医疗和空间技术等领域。而新工艺、新材料、新技术的采用，或用来提高其性能,或与其他薄膜结合构成新的器件，如与电学膜结合起来的光电子薄膜，与高分子有机材料结合起来的光学有机薄膜。这些薄膜有着潜在而十分广阔的应用前景，成为国内外学者竞相研究的课题。张铁群 (南开大学现代光学研究所) 战元龄（南开大学物理学院）
      1光学薄膜传统的光学薄膜是以光的干涉为基础，并以此来设计增透膜、分光膜、高反膜、滤光膜、偏振或消偏振膜等各种光学薄膜器件。早期的做法是用RH即电阻加热法来制备这些器件，常用的不外乎ZnS、MgF2和Na3AlF6等极有限的几种材料，由于其机械性能较差，经不起擦拭，所以严重地限制了它们的使用，更无法满足激光的要求。为适应激光的发展而产生的电子束蒸发法，为薄膜光学带来了新的生机。用电子束蒸发氧化物材料，即得到所谓的“硬膜”。由于氧化物材料，如ZrO2、TiO2、Ta2O5、SiO2等熔点高又耐磨擦，所以得到的膜层比起用热蒸发镀制的“软膜”的化学性能和物理性能都要稳定得多。加上蒸镀时，是用电子束的动能将其熔化，被蒸发的气体分子又获得了一定的动能，所以其抗激光破坏的阈值得到xxxx。与此同时，薄膜材料也由原来的几种猛增到数十种，不但其物理和化学性能稳定，而且光谱范围也逐渐地涵盖紫外、可见、近红外直至远红外。然而应用现代表面分析手段，如透射电镜(TEM)和扫描电镜(SEM)都可以用来分析薄膜的形貌、断面、结构；俄歇电子能谱(AES)可用以分析表面的电子能态、组分；X光电子能谱(XPS)可以获得表面电子能态、价态和定量的组态和定量的组分分析；而将AES、XPX离子剥蚀技术结合起来便可获得薄膜深处的信息。在研究薄膜的微结构时则发现，膜一般呈柱状结构，不够致密，所以膜层很容易吸附大气中诸如水蒸气、C和O等，这将导致光谱特性的改变。一个典型的例子是滤光片峰值波长的漂移，对作为光通信密集波分复用滤光片来说是不允许的。因为其光谱宽度只有几个，所以对波长不漂移的超窄带光学薄膜滤光片的制作提出了更高的要求。另外，这种松散的结构，也使膜层无法承受较强的功率密度，故其抗激光破坏的阈值也有限。为了改善薄膜的微结构，则可采用离子辅助蒸发法(IAD)，即在蒸发膜料的同时，用一个离子源来产生离子束，如Ar＋、Kr＋、O2＋等。在薄膜形成过程中，离子把自身所携带的能量、动量、电荷等传递给膜料和基板，在其提供能量、溅射、成核、扩散、离子注入及加热等综合效应下，膜层的物理性质得到明显的改善，如附着力、填充密度、表面粗糙度和结晶状态等。在采用上述分析技术后，发现在微观结构下膜层明显致密，如无定形ZrO2用O2＋或Kr＋轰击后，都变成了立方相结构，而膜层和界面的相互扩散，又增加了膜的牢固度。用离子辅助淀积的薄膜不但光学性质稳定，而且耐高温、抗低温、耐磨、耐潮及耐腐蚀等物理性能也大有改善。这是由于在沉积过程中，离子轰击提高了淀积分子或原子的迁移力，从而提高了薄膜的聚集密度，由于减少了内部空隙，散射损耗也明显减少。另外由于离子具有很强的xx作用，它们可xx薄膜分子和反应气体，使之更容易实现符合化学计量的薄膜，因而也减小了薄膜的吸收损耗，因此其抗激光破坏的阈值也大有提高。在IVD基础上发展起来的离子束溅射法(IBS)则是采用了进一步加大离子束能量的方法，使其能直接将膜料溅射到基板上。其关键是要有一个能产生等离子体的离子源，在强大的离子流的轰击下，膜料被溅射在基板上而形成薄膜。其成膜原理基本和离子辅助蒸发相同，但由于离子轰击的能量比IVD法要大得多，因此用离子束溅射沉积的光学薄膜具有高的堆积密度和{jz}密的微观结构，而折射率又接近块状材料，因此薄膜具有高的光学稳定性、低的散射损耗和吸收损耗，这为制造高强度、高功率的光学薄膜开辟了新的路径。但需要指出的是，加大离子轰击的能量和密度，一方面固然可提高膜层的附着力，另一方面也增大了表面的粗糙度，从而引起散射损耗的增加，所以必须提供恰当的能量才能获得{zj0}的膜层结构。此外还必须合理地选择离子源的工作气体，因为不同的气体对同一种膜料有着不同的吸收，它们之间可相差很大，有时可高达一个多数量级。无论是用PVD物理汽相沉积，还是用CVD化学汽相沉积来制作光学薄膜，从早期人们通过对器件后期的老化、退火等处理，一直发展到采取以上几种辅助手段，不外乎要达到两个目的：(1)改善薄膜的性能，因为它可加强膜层和基底以及膜层与膜层之间的附着力和改善其耐磨程度等物理特性；(2)加大膜的填充密度，因为它可提高膜层对强光—以激光为主的破坏阈值和抑制波长的漂移。上述两个目的，在作为光通信密集波分复用滤光片中表现最为典型。从某种意义上讲，该滤光片的制备是对光学薄膜技术的一种严峻的挑战。由于这种滤光片的光谱宽度少于几个埃，而其复用信道数一般都大于10个以上，所以各通道之间的间隔也只有几个纳米，甚至更窄，因此DWDM滤光片在使用中对波长漂移等指标有着十分苛刻的要求。众所周知，填充密度是引起滤光片波长漂移的主要因素，膜层填充密度的高低和蒸发材料的粒子能量有着很大的关系，上述几种辅助沉积旨在不断提高蒸发粒子的能量，而{zx1}采用等离子体辅助沉积技术，如德国Leybold公司的APS系统使沉积的膜层接近块状材料，其填充密度也接近1。由于膜层填充密度的提高，使这种对波长不漂移的超窄带光学薄膜滤光片的生产成为可能，而且器件具有良好的牢固度，防潮、耐摩擦能力都得到了明显的改善。随着薄膜制备技术的进一步发展和完善，金刚石薄膜也能在实验室用常压常温来制造。由于金刚石薄膜在光学上的优势：从紫外(225nm)直到远红外(～100μm)宽阔的光谱范围内具有良好的透过特性，而其体积模量、杨氏弹性模量等在已知物质中也是{zg}的，所以它具有极稳定的物理和化学性质且高硬度、高热导率、耐酸碱的腐蚀、热膨胀系数小、空气摩擦系数小、质量又轻还具有合适的折射率，若敷在常用的红外锗、硅基底上，还有明显的增透作用，因此金刚石薄膜成为卫星探测窗口、高马赫数飞行的红外制导导弹的整流罩及许多机载红外整机系统的窗口和透镜的最理想的增透保护膜。由于光学薄膜成膜技术和设备的不断发展、改进以及高新技术的采用，原来只能在锗、硅、硫化锌、硒化锌和石英等光学材料上镀制金刚石薄膜和类金刚石薄膜，现在也能在塑料和金属材料上制备出金刚石薄膜和类金刚石薄膜。光学薄膜依靠新技术和新材料，正向着高强度、高稳定方面发展。
      2　光电子薄膜科学的发展打破了纯学科的界限，光电子学就是光学和电子学在学科中相互渗透、交叉所形成的一门新型学科，其中光学薄膜和电学薄膜相结合而形成的光电子薄膜在光电子器件中有着十分广阔的应用前景。液晶光阀就是集光学薄膜、电学薄膜于一体的典型例子。在两块镀有ITO膜的光学玻璃之间，还包括有光电导膜、光隔离层、介质或金属的高反膜、液晶导向层等多种光、电子薄膜，有时还需在基板的两外侧加镀增透膜。正是由于这些光、电子薄膜的有机结合，加上它们和液晶之间的光电和电光效应，才使得液晶光阀在光信息处理中能充分发挥其快速、并行处理和高度互连的作用。另外，液晶光阀还可进行波段变换，如将入射的红外光转换成可见光。电致发光(EL)显示器件是光电子薄膜应用的另一领域。电致发光器件是在ITO膜之间镀有对称的或非对称的氧化物材料构成预热层和加速层，中间则是发光层，最常用的是ZnS掺Mn，发橙黄色光。若改变掺杂可得到其他颜色，如ZnS掺SmF3发红光，ZnS掺ErF3发绿光，ZnS掺TmF3则发蓝光。薄膜电致发光器件不仅具有主动发光、视场大、响应快、功耗低、体积小、对比度高、抗震性能好和工作温度范围宽等优异的特性，而且是一种全固态和全薄膜化的器件，无论是作为家庭的或是建筑的照明光源还是做成科学仪器的显示器件，如便携式微机的荧光屏，都有着广阔的应用前景。尤其它在航天航空和军事领域中所显示出来的潜在应用价值，已成为国内外竞相研制的目标之一。由无机材料如硫化锌和砷化镓磷化合物制成的发光二极管，尽管已被广泛应用在音响、视频、数字显示、广告等领域，但还存在着许多缺点，如驱动电压过高以及很难提供全色显示。若将两透明导电膜之间的材料稍加变换，使其具有变色、离子导电及离子存储等功能，则又形成光电子薄膜应用的另一种器件—电致变色薄膜器件。它是利用电致变色材料在外电场的作用下，其光谱特性发生连续变化，而在反向电场下又逐渐恢复到原来状态的特性，因此可广泛用于建筑物采光或汽车视窗等，它可自由地、也可由智能性的系统来调节薄膜两端的电压，不仅可获得令人满意的室内照明，同时又起到了节能的作用。另外，随着分子束外延、微米刻蚀等先进技术的兴起和发展，光电子薄膜逐渐向光电子集成化方向发展。如商业化的CD唱机都使用了全集成光电读出光学头，内含二极管激光器、分束光栅、菲涅耳聚焦光学元件、波导和光电探测器等。典型的光电子集成是xx液晶显示器，它是把成千上万个电光空间光调制器和晶体管集成在一起。目前人们仍在开发光通信用，在近红外13μm的光谱区具有4个不同波长的波分复用的光电子集成电路。一旦光电子集成获得突破性的进展，能达到光学并行处理的实用程度，则光计算机的诞生指日可待。
      3　光学有机薄膜传统的光学薄膜所采用的材料，无论是氟化物(MgF2、ThF4）、硫化物(ZnS、Sb2S3)，还是氧化物(SiO2、Ta2O5、TrO2)都是无机物。相对常规的无机介质薄膜而言，有机薄膜则具有更诱人的光学特性。如在电致发光器件中，将发光材料—过渡性的金属氧化物改为有机物，则可提高发光亮度，此时制成的有机薄膜电致发光器件(OTFEL)还有着无机发光二极管无法比拟的优势：(1)可获得可见区的全光谱发光，尤其是无机材料很难得到的蓝色；(2)可实现低压驱动，进而和集成电路形成配套。这些潜在的优势已引起了国内外许多科研工作者的浓厚兴趣。另外，有机光致变色分子材料可作为实时的光学介质和相干光处理中光寻址的空间光调制器，作为双稳态的物质，它们还显示出很低的饱和强度。更重要的是，还有相当多的化学有机物，它们所显示出的非线性光学特性，可广泛地应用在新频率的产生、光通信、光开关、光信息处理和光计算等方面。例如在光存储方面应用还有金属酞青类有机物，它具有平面大环分子结构，在可见区有强烈的吸收，光、热稳定性好，不仅可当染料，还可用于光存储，并且具有可观的电导、光电和三阶光学非线性。而偶氮类分子则是以偶氮分子为主体，在苯环上接有不同的电子基团，其在光的作用下，具有trarscis循环特性，且异构充分。正是这种光异构所引起的吸收系数和折射率的非线性变化(Δα,Δn)使其在光存储方面有着独特的作用。有人就用偶氮分子聚合物膜片实现了实时和{yj}可擦除的全息光存储的实验。而金属酞青衍生物，如酞青铜、酞青钴等制成的LB薄膜可用于光波导光学双稳态特性的研究。有机薄膜材料因其在光存储、光计算、光信息处理及集成光学方面的潜在应用价值，近10来年一直倍受各国学者的高度重视。目前有机电致发光薄膜可分为两大类：一类是小分子有机薄膜发光器件，另一类是有机聚合物薄膜器件。它们都是通过迁移的电子和空穴在有机层传输的发光层结合产生激子，激子进行能量传输，{zh1}激子辐射导致发光。在一些国际会议上，还专门为此开辟了专题讨论会，如最近几年，SPIE、美国光学学会和化学学会曾多次举办“光子学中应用的有机薄膜”会议。其中尤以“光折变聚合物”最热门，不仅从“有机聚合物”中分离出来，单独成立一个分会场，而且得到了高度重视。欧美各国偏重于对高分子材料的有机薄膜的研究，而日本则偏重于对低分子材料的有机薄膜的研究，并已实现了产业化，他们的研究内容更偏重于实际应用。有机分子材料的非线性主要是来源于其分子结构，所以其成膜也和无机材料有所不同。由于它成膜的特殊性—各种聚合物层可像液体那样进行制造和沉积在塑料等软性材料上，而不是采用较贵的真空淀积工艺或外延工艺，因而可降低制造成本，更令人兴奋的是用该方法可制作发光显示器件。该器件具有柔韧性、耐碎裂、更薄、更轻、更省电和更便宜的特点。这在显示器中独具一格，如可做成彩色发光地图，无论是xx还是民用，都有非常广阔的应用前景。但是科学家和开发商都面临着重大的挑战，其中最重要的是提高器件的寿命，改善一系列颜色的发射效率、发展软性接触材料、寻求塑料衬底的更好包盖方法等。从目前的成果看，有机薄膜电致发光器件在亮度、全色性等方面超过了无机电致薄膜发光器件，由于这种器件发光层是采用有机化合物，而有机物本身的不稳定并导致老化、驱动时的发热使有机膜溶解、微缺陷导致绝缘破坏等因素，使得器件的稳定性和寿命较差，因此离实用还有一段距离。但是很多科学家都在致力于这方面的工作，并且取得了重要的进展。光学薄膜正在突破传统的范畴，越来越广泛地渗透到各学科领域中，因此也越来越受到人们的重视。这使得光学、光电子及光学有机薄膜正进入一个高速发展的时期，而它们的发展必将推动其他学科的发展和进步。

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