電子束蒸發法制備摻釔穩定氧化鋯薄膜的光學特性研究

2010-01-23 李朝陽中國科學院理化技術研究所,激光物理與技術中心

　　利用電子束蒸鍍方法在單晶硅和石英玻璃上制備了摻不同Y₂O₃濃度的摻釔穩定ZrO₂薄膜( YSZ) ,用X 射線衍射、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射光譜測定薄膜的結構、表面特性和光學性能,研究了退火對薄膜結構和光學性能的影響。結果表明:一定濃度的Y₂O₃摻雜可以使ZrO₂薄膜穩定在四方相,退火顯著影響薄膜結構,隨著溫度的升高薄膜結構依次經歷由非晶到四方相再到四方和單斜混合相轉變;AFM分析顯示薄膜表面YSZ顆粒隨著退火溫度的升高逐漸增大,表面粗糙度相應增大,晶粒大小計算表明,退火溫度的提高有助于薄膜的結晶化,退火溫度從400 ℃到1100 ℃變化范圍內晶粒大小從15.6nm增大到46.3nm;同時利用納秒激光對薄膜進行了破壞閾值測量,結果表明電子束蒸鍍制備YSZ薄膜是一種制備高抗激光損傷鍍層的有效方法。

　　ZrO₂是近來研究較為熱門的光學鍍膜材料,具有折射率高、光譜透明范圍寬、對可見光和紅外波段都有低吸收和低散射等優點,同時化學穩定性好、熱導率低,尤其這種材料具有很強的抗激光損傷能力,可以大幅提高激光器的輸出功率和能量,對于激光加工、國防軍事、科學研究等方面具有重要研究價值。眾多研究表明,ZrO₂存在單斜、四方和立方三種晶型,低溫制備的ZrO₂多為單斜結構,單斜晶由于具有導熱系數低和韌性差等特點,限定了它的應用。顯著影響ZrO₂力學和光學性能的是四方和立方晶型,但氧化鋯晶型相變過程中伴隨著體積變化,致使薄膜存在較大應力容易破裂,可以通過摻雜少量的Y₂O₃起到晶型穩定和改善薄膜光學性能的作用。研究YSZ薄膜的制備工藝、表面質量、雜質缺陷等特性,進而探討薄膜性質同光學性能的關系,對于研究新型光學功能薄膜也具有很大意義。

　　電子束蒸鍍法具有大面積成膜,沉積速率高,膜基附著力好,結構致密,可以獲得高純膜等優點,在制備高抗損傷光學薄膜方面存在很大的優勢,迄今為止已有一些ZrO₂ 薄膜抗光學損傷的研究報道,但有關薄膜退火后晶體性質的改變對激光損傷閾值的影響還鮮有涉及。本文中,我們利用電子束蒸鍍方法制備了不同摻釔濃度的YSZ薄膜,并經不同的溫度退火(400、600、800、1100 ℃) , 采用XRD、AFM、UV-VIS等手段研究了退火對YSZ薄膜晶體結構和表面特性的影響,進而對薄膜進行了納秒激光損傷試驗,根據ISO11254-1激光損傷測試標準對光學破壞閾值進行了測量。

1、實驗

　　薄膜制備是在DM700 鍍膜機上自行設計加裝E型電子槍后完成,采用擴散泵獲得高真空,本底真空為9 ×10^-4Pa 。電子加速電壓固定在6kV ,沉積速率和蒸發功率通過改變電子束流大小來控制,電子槍和樣品臺的距離為300mm。YSZ塊體購自北京有色金屬研究總院,Y₂O₃摻雜含量分別為0,5% ,10% ,15%四種,采用石英玻璃做襯底用于光學透過率測量,單晶硅做襯底用于薄膜結構和形貌分析以及激光損傷實驗。蒸鍍前襯底經丙酮、去離子水、乙醇溶液各超聲清洗15min ,然后氮氣吹干。實驗中蒸鍍氣壓隨著電子槍功率增大而增加,當電流范圍在120mA～180mA 之間時,相應氣壓從2.3 ×10^-2Pa 升高到4.1 ×10^-2Pa ,蒸鍍過程中樣品臺伴隨一定程度的溫升,溫度大約為80℃。隨后樣品在大氣環境下經不同溫度退火。

　　薄膜晶體結構用理學D/Max2000PC 型X 射線衍射儀檢測(XRD) ,管壓40kV ,管流20mA ,掃描速度4°/min ;采用GBC2Cintra303 型紫外可見分光光度計測量薄膜透過率;應用本原納米公司SPM4000 型原子力顯微鏡進行薄膜表面形貌和粗糙度分析;薄膜厚度用Kla2Tencor2P16 臺階儀測量,臺階通過在玻璃襯底上設置掩模板制備;用島津SS50 型掃描電子顯微鏡進行激光損傷后薄膜表面分析。

　　激光損傷實驗根據ISO112542I : 12ON21 標準進行,即在樣品上每一點僅進行一次光照射,實驗裝置示意圖如圖1 ,采用閃光燈抽運的Cr4 + :YAG被動調QCe 、Nd 雙摻YAG 激光器, 頻率1Hz , 輸出波1064nm ,脈寬10ns ,最大能量30mJ ,能量不穩定度小于±5 % ,激光光斑半徑定義為從光斑中心到激光能量下降到峰值能量的1/ e² 處的距離。激光能量調節通過改變兩片偏振片的偏轉角度實現,經透鏡聚焦后入射樣品表面,透鏡焦距80mm。在樣品上每隔2mm進行一次激光照射,并把經激光照射后輻照光斑最初出現的位置定義為破壞。實驗中利用氦氖激光器進行光路準直和損傷定位,損傷效果用CCD 實時監測。

納秒激光損傷實驗示意圖

圖1 　納秒激光損傷實驗示意圖

　　限于篇幅，文章第二章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結論

　　采用電子束蒸發法制備了摻雜不同Y₂O₃濃度的YSZ薄膜,研究了摻雜濃度和退火對薄膜結構和光學特性的影響,結果發現一定范圍的摻雜可以使薄膜穩定于四方相,退火對薄膜結構和表面形貌有很大影響,高溫退火使薄膜結晶程度增強,晶粒尺寸顯著增大。退火引起的晶界增多,增大了薄膜中的光散射作用,使得薄膜光透過率下降,但影響不明顯。對不同溫度退火后的樣品進行了激光損傷實驗,發現經400 ℃退火后的YSZ 薄膜激光損傷閾值最高,達到13.5J/cm² 。