电子束蒸发法制备掺钇稳定氧化锆薄膜的光学特性研究

2010-01-23 李朝阳中国科学院理化技术研究所,激光物理与技术中心

　　利用电子束蒸镀方法在单晶硅和石英玻璃上制备了掺不同Y₂O₃浓度的掺钇稳定ZrO₂薄膜( YSZ) ,用X 射线衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜和透射光谱测定薄膜的结构、表面特性和光学性能,研究了退火对薄膜结构和光学性能的影响。结果表明:一定浓度的Y₂O₃掺杂可以使ZrO₂薄膜稳定在四方相,退火显著影响薄膜结构,随着温度的升高薄膜结构依次经历由非晶到四方相再到四方和单斜混合相转变;AFM分析显示薄膜表面YSZ颗粒随着退火温度的升高逐渐增大,表面粗糙度相应增大,晶粒大小计算表明,退火温度的提高有助于薄膜的结晶化,退火温度从400 ℃到1100 ℃变化范围内晶粒大小从15.6nm增大到46.3nm;同时利用纳秒激光对薄膜进行了破坏阈值测量,结果表明电子束蒸镀制备YSZ薄膜是一种制备高抗激光损伤镀层的有效方法。

　　ZrO₂是近来研究较为热门的光学镀膜材料,具有折射率高、光谱透明范围宽、对可见光和红外波段都有低吸收和低散射等优点,同时化学稳定性好、热导率低,尤其这种材料具有很强的抗激光损伤能力,可以大幅提高激光器的输出功率和能量,对于激光加工、国防军事、科学研究等方面具有重要研究价值。众多研究表明,ZrO₂存在单斜、四方和立方三种晶型,低温制备的ZrO₂多为单斜结构,单斜晶由于具有导热系数低和韧性差等特点,限定了它的应用。显著影响ZrO₂力学和光学性能的是四方和立方晶型,但氧化锆晶型相变过程中伴随着体积变化,致使薄膜存在较大应力容易破裂,可以通过掺杂少量的Y₂O₃起到晶型稳定和改善薄膜光学性能的作用。研究YSZ薄膜的制备工艺、表面质量、杂质缺陷等特性,进而探讨薄膜性质同光学性能的关系,对于研究新型光学功能薄膜也具有很大意义。

　　电子束蒸镀法具有大面积成膜,沉积速率高,膜基附着力好,结构致密,可以获得高纯膜等优点,在制备高抗损伤光学薄膜方面存在很大的优势,迄今为止已有一些ZrO₂ 薄膜抗光学损伤的研究报道,但有关薄膜退火后晶体性质的改变对激光损伤阈值的影响还鲜有涉及。本文中,我们利用电子束蒸镀方法制备了不同掺钇浓度的YSZ薄膜,并经不同的温度退火(400、600、800、1100 ℃) , 采用XRD、AFM、UV-VIS等手段研究了退火对YSZ薄膜晶体结构和表面特性的影响,进而对薄膜进行了纳秒激光损伤试验,根据ISO11254-1激光损伤测试标准对光学破坏阈值进行了测量。

1、实验

　　薄膜制备是在DM700 镀膜机上自行设计加装E型电子枪后完成,采用扩散泵获得高真空,本底真空为9 ×10^-4Pa 。电子加速电压固定在6kV ,沉积速率和蒸发功率通过改变电子束流大小来控制,电子枪和样品台的距离为300mm。YSZ块体购自北京有色金属研究总院,Y₂O₃掺杂含量分别为0,5% ,10% ,15%四种,采用石英玻璃做衬底用于光学透过率测量,单晶硅做衬底用于薄膜结构和形貌分析以及激光损伤实验。蒸镀前衬底经丙酮、去离子水、乙醇溶液各超声清洗15min ,然后氮气吹干。实验中蒸镀气压随着电子枪功率增大而增加,当电流范围在120mA～180mA 之间时,相应气压从2.3 ×10^-2Pa 升高到4.1 ×10^-2Pa ,蒸镀过程中样品台伴随一定程度的温升,温度大约为80℃。随后样品在大气环境下经不同温度退火。

　　薄膜晶体结构用理学D/Max2000PC 型X 射线衍射仪检测(XRD) ,管压40kV ,管流20mA ,扫描速度4°/min ;采用GBC2Cintra303 型紫外可见分光光度计测量薄膜透过率;应用本原纳米公司SPM4000 型原子力显微镜进行薄膜表面形貌和粗糙度分析;薄膜厚度用Kla2Tencor2P16 台阶仪测量,台阶通过在玻璃衬底上设置掩模板制备;用岛津SS50 型扫描电子显微镜进行激光损伤后薄膜表面分析。

　　激光损伤实验根据ISO112542I : 12ON21 标准进行,即在样品上每一点仅进行一次光照射,实验装置示意图如图1 ,采用闪光灯抽运的Cr4 + :YAG被动调QCe 、Nd 双掺YAG 激光器, 频率1Hz , 输出波1064nm ,脉宽10ns ,最大能量30mJ ,能量不稳定度小于±5 % ,激光光斑半径定义为从光斑中心到激光能量下降到峰值能量的1/ e² 处的距离。激光能量调节通过改变两片偏振片的偏转角度实现,经透镜聚焦后入射样品表面,透镜焦距80mm。在样品上每隔2mm进行一次激光照射,并把经激光照射后辐照光斑最初出现的位置定义为破坏。实验中利用氦氖激光器进行光路准直和损伤定位,损伤效果用CCD 实时监测。

纳秒激光损伤实验示意图

图1 　纳秒激光损伤实验示意图

　　限于篇幅，文章第二章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。

3、结论

　　采用电子束蒸发法制备了掺杂不同Y₂O₃浓度的YSZ薄膜,研究了掺杂浓度和退火对薄膜结构和光学特性的影响,结果发现一定范围的掺杂可以使薄膜稳定于四方相,退火对薄膜结构和表面形貌有很大影响,高温退火使薄膜结晶程度增强,晶粒尺寸显著增大。退火引起的晶界增多,增大了薄膜中的光散射作用,使得薄膜光透过率下降,但影响不明显。对不同温度退火后的样品进行了激光损伤实验,发现经400 ℃退火后的YSZ 薄膜激光损伤阈值最高,达到13.5J/cm² 。