CN106772730B - 一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料 - Google Patents

一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，涉及红外反射涂层领域；包括从下到上的金属反射层R‑HfN和介质透射层T‑HfN，所述金属反射层R‑HfN具有高反射率，所述介质透射层T‑HfN是由低折射率透射层low n‑T‑HfN和高折射率透射层high n‑T‑HfN交替6次构成的12层结构的增反的膜系，所述金属反射层R‑HfN和介质透射层T‑HfN的材料均为氮化铪HfNx；该材料在具有高反射率的基础上，同时具有耐摩擦、耐高速粒子撞击、耐腐蚀和耐高温能力，有望在光学反射器件表面和高速固液粒子撞击、高温以及腐蚀液体气体存在的严苛条件下作为高效耐久反射膜使用。

Description

一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料
技术领域
本发明涉及红外反射涂层领域，具体涉及一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料。
背景技术
现代技术的快速发展，使得人们对于裸露在外的红外光学器件(如光学反射镜)的反射涂层材料提出了极高的要求，不仅要求具有高红外反射率，还要求具有耐磨损、耐高温和耐腐蚀性，目前市场上普遍使用的红外反射镜涂层材料是纯金属，以纯铝为例，它具有极高的红外反射率，在整个红外波段内的反射率为90-96％，但是，它也具有硬度低、熔点低和容易被腐蚀等较差的环境耐久性，为了改善这种状况，近年来国内外的研究者尝试通过镀制介质保护膜(二氧化硅等)来提高纯金属涂层的耐久性能，但结果并不理想，且合成薄膜的工艺复杂。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，使得膜材料既具有高反射率又具有耐久性。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，包括从下到上的金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN，所述金属反射层R-HfN具有高反射率，所述介质透射层T-HfN是由低折射率透射层lown-T-HfN和高折射率透射层highn-T-HfN交替6次构成的12层结构的增反的膜系，所述金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN的材料均为氮化铪HfNx。
优选的，所述金属反射层R-HfN中HfNx的x值为1.039。
优选的，所述低折射率透射层lown-T-HfN中HfNx的x值为1.383。
优选的，所述高折射率透射层high n-T-HfN中HfNx的x值为1.334。
一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料的制备方法，采用磁控溅射法，步骤如下：(1)选取硅片或玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；(2)将纯Hf靶和衬底放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa；(3)向磁控溅射室通入Ar气和N2气；(4)控制N2/(Ar+N2)的流速比为3％-100％，首先在衬底上溅射沉积一层金属反射层R-HfN作为最底层，再在金属反射层上溅射沉积一层低折射率透射层low n-T-HfN，然后再溅射沉积一层高折射率透射层high n-T-HfN，反复交替沉积低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN 6次，实现总层数为13层。
优选的，所述溅射的工艺参数为：Hf靶与衬底之间的距离为55mm，衬底的温度为200℃，工作压强为1.0Pa，工作偏压为-80V，溅射功率为150W。
磁控溅射过程中，在电场作用下电子在飞向衬底的过程中与Ar原子发生碰撞，使其电离产生Ar正离子和新的电子，Ar正离子在电场作用下加速飞向阴极Hf靶，以高能量轰击Hf靶表面，使Hf靶材发生溅射，溅射的Hf原子与N原子沉积在衬底上形成HfNx薄膜，通过控制N2与Ar的流量，实现x值的不同。
本发明提供的一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料及其制备方法，其创造性在于解决了背景技术中涉及的两个技术难题：
1.如何解决高红外反射和高耐久不共存问题；
2.如何简化合成薄膜的工艺；
针对这两个问题，本发明的技术方案没有使用昂贵、复杂的实验装置，而是从第一性原理计算和HfNx相变机理入手，通过大量实验，合成了具有不同性质的HfNx薄膜，然后根据薄膜不同的光学性质提出了一套简单可行的技术方案，解决了上述两个问题。具体解决办法是：
1、针对第一个问题，为使材料既有高红外反射性又有耐久性，材料设计十分关键。发明人创造性地设计了HfNx红外反射多层膜，从HfNx相变机理入手，即HfNx中x的不同会形成不同的相结构，从而表现出不同的光学性质。HfNx本身具有好的耐久性，通过在金属反射层R-HfN上反复交替沉积低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN又实现高红外反射率的性能。
2、针对第二个问题，为了简化合成薄膜的工艺，采用磁控溅射方法，在制备过程中只需改变氮气流量即可制备出该多层膜材料，实现了材料的一步合成。
(三)有益效果
本发明提供了一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，其有益效果为：
(1)该材料中金属反射层R-HfN、低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN为3种不同光学特征的氮化铪层，制备过程中通过控制氮气流量可以在一个实验回合中完成，工艺简单，而且同质膜层之间的结合相比在纯金属膜上镀制介质保护膜会更加稳定。
(2)该材料在4100-4170nm波长范围内的反射率均接近甚至超过铝膜，这表明该材料在最常使用的中红外波段具有良好的适用性；
(3)该材料在4090-4180nm波长范围内平均反射率超过铝膜，硬度、耐盐性和耐酸性分别是铝的27、10和100倍；
(4)该材料在具有高反射率的基础上，同时具有耐摩擦、耐高速粒子撞击、耐腐蚀和耐高温能力，即耐久性优异，有望在光学反射器件表面和高速固液粒子撞击、高温以及腐蚀液体气体存在的严苛条件下作为高效耐久反射膜使用。
附图说明
图1为测量波长在4090-4180nm范围内的红外反射性能检测结果，图中1为纯铝膜的反射率，2为金属反射层R-HfN的反射率，3为本发明所述多层膜材料的反射率。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，包括从下到上的金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN，所述金属反射层R-HfN具有高反射率，所述介质透射层T-HfN是由低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN交替6次构成的12层结构的增反的膜系，所述金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN的材料均为氮化铪HfNx，其中，所述金属反射层R-HfN中HfNx的x值为1.039，所述低折射率透射层lown-T-HfN中HfNx的x值为1.383，所述高折射率透射层high n-T-HfN中HfNx的x值为1.334。
该材料的制备采用磁控溅射法，步骤如下：
(1)选取硅片作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声20min、25min和30min；(2)将纯Hf靶和衬底放入磁控溅射室，Hf靶与衬底之间的距离为55mm，衬底的温度设为200℃，抽真空至4×10-4Pa；(3)向磁控溅射室通入Ar气和N2气；(4)设置工作压强1.0Pa，工作偏压为-80V，溅射功率150W，控制N2/(Ar+N2)的流速比为3％-100％，首先在衬底上溅射沉积一层金属反射层R-HfN作为最底层，再在金属反射层上溅射沉积一层低折射率透射层low n-T-HfN，然后再溅射沉积一层高折射率透射层highn-T-HfN，反复交替沉积低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN 6次，实现总层数为13层。
对本实施例制备的多层膜材料、纯铝膜材料进行红外反射性能检测，结果如图1所示，从图中分析可得：该材料在4100-4170nm内任意一个波长处的反射率均接近甚至超过铝膜，在测试的4090-4180nm波段范围内平均反射率超过铝膜。
此外，还对本实施例材料的硬度、耐盐性和耐酸性进行了检测，检测结果如下：其硬度、耐盐性和耐酸性分别是铝膜的27、10和100倍。
综上，本发明实施例具有如下有益效果：该材料在具有高反射率的基础上，同时具有耐摩擦、耐高速粒子撞击、耐腐蚀和耐高温能力，即耐久性优异。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料，其特征在于，包括从下到上的金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN，所述金属反射层R-HfN具有高反射率，所述介质透射层T-HfN是由低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN交替6次构成的12层结构的增反的膜系，所述金属反射层R-HfN和介质透射层T-HfN的材料均为氮化铪HfNx；所述金属反射层R-HfN中HfNx的x值为1.039，所述低折射率透射层low n-T-HfN中HfNx的x值为1.383，所述高折射率透射层high n-T-HfN中HfNx的x值为1.334。
2.如权利要求1所述的一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射法，步骤如下：(1)选取硅片或玻璃基底作为衬底，依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声清洗；(2)将纯Hf靶和衬底放入磁控溅射室，抽真空至4×10-4Pa；(3)向磁控溅射室通入Ar气和N2气；(4)控制N2/(Ar+N2)的流速比为3％-100％，首先在衬底上溅射沉积一层金属反射层R-HfN作为最底层，再在金属反射层上溅射沉积一层低折射率透射层low n-T-HfN，然后再溅射沉积一层高折射率透射层high n-T-HfN，反复交替沉积低折射率透射层low n-T-HfN和高折射率透射层high n-T-HfN 6次，实现总层数为13层。
3.如权利要求2所述的一种基于氮化铪的高红外反射耐久多层膜材料的制备方法，其特征在于，所述溅射的工艺参数为：Hf靶与衬底之间的距离为55mm，衬底的温度为200℃，工作压强为1.0Pa，工作偏压为-80V，溅射功率为150W。
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