[發明專利]一種金剛石基非晶碳-氧化釔梯度復合增透膜的制備方法

有效

• 申請號: 202111149652.8
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113832430B
• 公開（公告）日: 2023-09-05
• 發明（設計）人: 周兵;劉竹波;于盛旺;馬永;王永勝;鄭可;吳艷霞;高潔;黑鴻君
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/06;C23C14/08;C23C14/58;C23C14/32;C23C14/28;C23C14/35;C23C14/30
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 申艷玲

本發明公開了一種金剛石基非晶碳?氧化釔梯度復合增透膜的制備方法，首先將預處理后的金剛石光學晶片材料進行中低溫離子束刻蝕清洗處理，在金剛石晶片的上下兩面同時依次制備高spsupgt;3/supgt;鍵含量的四面體非晶碳和低spsupgt;3/supgt;鍵含量的三維網絡非晶碳薄膜；然后對非晶碳薄膜先后進行真空退火去應力和拋光去石墨相大顆粒處理工藝，得到光滑平整表面；最后在處理后的非晶碳薄膜上下表面分別沉積氧化釔薄膜，從而得到金剛石基非晶碳?氧化釔梯度復合增透膜。本發明綜合利用非晶碳過渡層的折射率易調控特性及其與氧化釔復合薄膜高增透的優勢，對于降低金剛石與增透膜界面失配，提高金剛石紅外增透效果及其紅外光學系統應用具有重要意義。

技術領域

本發明涉及一種金剛石基非晶碳-氧化釔梯度復合增透膜的制備方法，屬于光學薄膜制備技術領域。

背景技術

紅外光學系統（例如紅外窗口、頭罩、探測、成像等）廣泛應用物體的3~5和8~12?μm的紅外輻射，紅外透過率決定了該系統性能的優劣。隨著紅外光學系統的應用要求越來越高，減少光學元件表面的反射，提高整個光學系統的紅外透過性能己成為研究重點。金剛石具有高紅外透過率、低吸收系數、抗熱沖擊性好、耐磨擦等一系列優異的性能，是用于長波紅外波段（8～12?μm）理想的窗口和頭罩材料。然而，金剛石理論透過率僅為71%，而實際透過率受制備工藝和表面粗糙度的影響，使其往往低于70%，嚴重制約了金剛石在光學領域的應用。因此，通過在金剛石表面鍍制光學増透膜來降低其表面反射損失成為最關鍵的問題。

增透膜的選擇對金剛石基體增透效果有著重要影響。氮化鋁、氧化鉿、氧化釔、氧化釹等薄膜常被用作金剛石表面光學增透膜（表面技術，Vol.?49，2020，106~117；金剛石與磨料磨具工程，Vol.?3，2008，10~14），雖然取得了一定的紅外增透效果，但在基體-增透膜層結合強度、多波段透過率、折射率等方面存在或多或少的問題，使其在光學領域的工程化應用受到極大限制。按照光學增透膜設計要求，金剛石表面理想的單層增透膜的折射率應與金剛石折射率成平方根關系。氧化釔薄膜的折射率為1.8，理論上能較好的符合金剛石折射率2.38的配比要求，但實際制備過程中由于制備技術和工藝的影響，金剛石表面單層氧化釔增透膜體系的厚度和折射率并不能達到理想狀態，同時氧化釔與金剛石基體之間的結合能力影響其實際應用（電鍍與涂飾，Vol.?28，2009，32~34），需要在兩者之間添加氮化鋁、硅等過渡層。因而，研制具有高結合強度、折射率可調的高性能紅外増透膜成為光學研究中的重要部分，在軍事領域、航空航天和電子產品等領域有著不可或缺的戰略意義。

發明內容

本發明旨在提供一種金剛石基非晶碳-氧化釔梯度復合增透膜體系的制備方法，結合非晶碳過渡層的結構可調控特性及其與氧化釔復合薄膜高增透的優勢，在金剛石光學晶片兩面同時依次制備不同sp³鍵含量的非晶碳膜和氧化釔薄膜，可以有效調節各層薄膜折射率，降低金剛石與增透膜界面失配，提高金剛石紅外增透效果，從而獲得高紅外透過性能的金剛石基非晶碳-氧化釔梯度復合增透膜。

本發明直接采用金剛石光學級晶片基體，對其表面進行中低溫離子束刻蝕處理，可以有效去除表面污染物和部分石墨相，并獲得高結合能的表面以提高金剛石與后續增透膜結合強度。另外，非晶碳薄膜是一種由sp²和sp³雜化鍵混合的亞穩態結構，通過調控非晶碳薄膜中的sp³鍵含量可以改變其結構和物理化學性能，因而，本發明在金剛石晶片基體表面依次沉積sp³鍵含量逐漸降低的非晶碳膜和氧化釔薄膜，不僅可以有效調節金剛石與增透膜之間的折射率差異以滿足光學增透膜設計要求，同時金剛石與非晶碳之間相同的元素組成能夠降低基體與薄膜之間的物性差異以提高后續薄膜在基體表面的結合強度。最后，通過在金剛石晶片基體的上下兩面均制備非晶碳-氧化釔梯度復合薄膜，可以獲得金剛基雙面增透膜系，具有比單面膜系更高的紅外增透效果，對于提高金剛石基紅外光學系統的使用性能和推廣應用具有重要意義。