一種高性能減反射膜的制備方法

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上海卷柔新技術(shù)光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學(xué)儀器及其零配件的高科技企業(yè)，公司2005年成立在上海閔行零號(hào)灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術(shù)背景依托中國(guó)科學(xué)院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學(xué)儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學(xué)透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務(wù)。

摘要

本論文聚焦于高性能減反射膜的制備方法研究。通過(guò)對(duì)膜系結(jié)構(gòu)的**設(shè)計(jì)、鍍膜材料的優(yōu)選以及鍍膜工藝的優(yōu)化，成功制備出在寬光譜范圍內(nèi)具有低反射率、高透過(guò)率的減反射膜。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該減反射膜在可見(jiàn)光及近紅外波段（400 - 1100nm）平均反射率低于 1%，平均透過(guò)率超過(guò) 98%，且具備良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性。此制備方法為光學(xué)儀器、顯示設(shè)備、光伏組件等領(lǐng)域提供了高效可靠的減反射解決方案，有助于提升相關(guān)設(shè)備的光學(xué)性能和使用效能。

關(guān)鍵詞：高性能減反射膜；制備方法；膜系設(shè)計(jì)；鍍膜材料；光學(xué)性能

一、引言

在光學(xué)領(lǐng)域，光線在光學(xué)元件表面的反射會(huì)導(dǎo)致光能損失，降低光學(xué)設(shè)備的成像質(zhì)量、顯示效果和能量轉(zhuǎn)換效率。減反射膜作為一種重要的光學(xué)功能膜，通過(guò)減少光線反射、增加光線透過(guò)，在提升光學(xué)設(shè)備性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。隨著光學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，如精密光學(xué)儀器、高清顯示設(shè)備、高效光伏組件等領(lǐng)域?qū)p反射膜的性能要求日益提高，傳統(tǒng)減反射膜在寬光譜減反射效果、膜層穩(wěn)定性等方面已難以滿足需求。因此，研發(fā)一種高性能減反射膜的制備方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

二、高性能減反射膜的原理

2.1 光學(xué)干涉原理

高性能減反射膜的核心原理基于光學(xué)干涉。當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)折射率不同，在界面處會(huì)發(fā)生反射和折射。減反射膜通過(guò)在光學(xué)元件表面鍍制多層具有特定折射率和厚度的薄膜，使各膜層反射光之間產(chǎn)生光程差。根據(jù)光學(xué)干涉理論，當(dāng)光程差滿足半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，反射光的相位差達(dá)到 180°，這些反射光相互干涉抵消，從而減少反射光強(qiáng)度，增加光線透過(guò)率。通過(guò)**設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)，可在特定光譜范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的減反射效果 。

2.2 膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)寬光譜、高性能的減反射效果，膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通常采用多層膜結(jié)構(gòu)，由高折射率材料層和低折射率材料層交替組成。高折射率材料如二氧化鈦（TiO?）、五氧化二鉭（Ta?O?），低折射率材料如二氧化硅（SiO?） 。利用光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件，結(jié)合理論計(jì)算和模擬，根據(jù)目標(biāo)光譜范圍、基底材料特性等因素，優(yōu)化各膜層的折射率、厚度和層數(shù)，使膜系在寬光譜范圍內(nèi)滿足干涉相消條件，同時(shí)兼顧膜層的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性 。

三、制備材料選擇

3.1 高折射率材料

選用二氧化鈦（TiO?）和五氧化二鉭（Ta?O?）作為高折射率材料。TiO?在可見(jiàn)光和近紅外波段具有較高的折射率（n≈2.3 - 2.5），化學(xué)穩(wěn)定性良好，且成本相對(duì)較低，易于通過(guò)多種鍍膜工藝制備成膜。Ta?O?折射率較高（n≈2.1 - 2.2），具有優(yōu)異的硬度和耐磨性，能夠增強(qiáng)膜層的機(jī)械性能，提升膜層在實(shí)際使用中的耐用性 。

3.2 低折射率材料

二氧化硅（SiO?）是理想的低折射率材料，其折射率約為 1.45，在寬光譜范圍內(nèi)透光性**，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。SiO?與高折射率材料兼容性良好，能夠形成穩(wěn)定的多層膜結(jié)構(gòu)，有助于實(shí)現(xiàn)膜系的光學(xué)性能優(yōu)化 。同時(shí)，SiO?膜層還具有良好的耐候性，可適應(yīng)不同的使用環(huán)境 。

3.3 輔助材料

為進(jìn)一步提升減反射膜的性能，可添加輔助材料。例如，在鍍膜材料中加入微量的納米級(jí)氧化鋁（Al?O?）顆粒，能夠增強(qiáng)膜層的硬度和抗刮擦性能；添加有機(jī)硅烷偶聯(lián)劑，可改善膜層與基底之間的附著力，提高膜層的穩(wěn)定性 。

四、制備工藝

4.1 基底預(yù)處理

基底的表面狀態(tài)對(duì)減反射膜的性能有重要影響。選取光學(xué)玻璃、藍(lán)寶石、硅片等合適的基底材料，首先使用去離子水和中性清洗劑對(duì)基底進(jìn)行超聲波清洗，去除表面的油污、灰塵、雜質(zhì)等；然后用高純度乙醇進(jìn)行擦拭，進(jìn)一步清潔表面；*后將基底放入真空室中，通過(guò)等離子體清洗處理，去除表面殘留的有機(jī)物，提高基底表面活性，增強(qiáng)膜層與基底的結(jié)合力。

4.2 鍍膜方法選擇

采用磁控濺射鍍膜技術(shù)進(jìn)行減反射膜的制備。磁控濺射鍍膜技術(shù)具有成膜均勻性好、膜層致密性高、成分可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠**控制膜層的厚度和折射率，滿足高性能減反射膜的制備要求。在濺射過(guò)程中，以高純金屬靶材（Ti、Ta、Si）為原料，通過(guò)氬離子轟擊靶材，使靶材原子或分子沉積在基底表面形成薄膜 。

4.3 鍍膜過(guò)程

將預(yù)處理后的基底固定在鍍膜設(shè)備的樣品架上，抽真空至 10?3 Pa 以下 。先沉積低折射率的 SiO?層，控制濺射功率、氣體流量、基底溫度等參數(shù)，例如濺射功率設(shè)置為 80 - 120W，氬氣流量為 20 - 30 sccm，氧氣流量為 5 - 10 sccm，基底溫度保持在 150 - 200℃，**控制膜層厚度 。接著依次沉積高折射率材料（TiO?、Ta?O?）層，通過(guò)調(diào)整濺射參數(shù)，實(shí)現(xiàn)各膜層的**制備 。根據(jù)膜系設(shè)計(jì)要求，重復(fù)交替沉積各層薄膜，直至完成整個(gè)膜系的制備 。

4.4 后處理

鍍膜完成后，對(duì)樣品進(jìn)行熱處理。將樣品放入高溫退火爐中，以 5℃/min 的升溫速率加熱至 300 - 400℃，保溫 1 - 2 小時(shí)后隨爐冷卻 。熱處理能夠消除膜層內(nèi)應(yīng)力，改善膜層的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提高膜層的光學(xué)性能和機(jī)械性能 。此外，還可對(duì)膜層進(jìn)行表面鈍化處理，進(jìn)一步增強(qiáng)膜層的化學(xué)穩(wěn)定性和抗腐蝕能力 。

五、性能測(cè)試與分析

5.1 光學(xué)性能測(cè)試

使用分光光度計(jì)在 200 - 2000nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)鍍膜樣品進(jìn)行反射率和透過(guò)率測(cè)試 。結(jié)果顯示，未鍍膜基底在可見(jiàn)光波段平均反射率約為 8%，而采用本方法制備的減反射膜，在 400 - 1100nm 波段平均反射率低于 1%，平均透過(guò)率超過(guò) 98%，有效減少了光線反射損失，顯著提高了光線透過(guò)率 。

5.2 機(jī)械性能測(cè)試

采用鉛筆硬度測(cè)試法評(píng)估膜層硬度，結(jié)果顯示膜層硬度達(dá)到 6H 以上，具有良好的耐磨性 ；通過(guò)百格測(cè)試法檢測(cè)膜層附著力，使用 3M 膠帶粘貼并撕下后，膜層無(wú)脫落現(xiàn)象，表明膜層與基底之間附著力優(yōu)異 。

5.3 環(huán)境耐受性測(cè)試

將鍍膜樣品置于高溫高濕環(huán)境（85℃，85% RH）中持續(xù) 96 小時(shí)，以及進(jìn)行 - 40℃至 80℃的高低溫循環(huán)測(cè)試（循環(huán)次數(shù) 50 次） 。測(cè)試后樣品的光學(xué)性能和機(jī)械性能無(wú)明顯衰減，證明該減反射膜具有良好的環(huán)境耐受性 。

六、結(jié)論

本論文提出的高性能減反射膜制備方法，通過(guò)優(yōu)化膜系結(jié)構(gòu)、精選鍍膜材料和改進(jìn)制備工藝，成功制備出具有優(yōu)異光學(xué)性能、良好機(jī)械性能和環(huán)境耐受性的減反射膜。該制備方法為光學(xué)領(lǐng)域提供了一種高效可靠的技術(shù)方案，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)儀器、顯示設(shè)備、光伏組件等產(chǎn)品中，有助于提升相關(guān)產(chǎn)品的性能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)，可進(jìn)一步探索新型鍍膜材料和工藝，優(yōu)化膜系設(shè)計(jì)，以滿足更高性能要求和更廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

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