紅外減反涂層，晶體減反膜你了解多少呢

    關(guān)鍵詞：紅外減反射涂層、溶膠凝膠法、TeO2基底、高透射率
    摘要：紅外減反射（AR）涂層作為紅外元件的重要組成部分，在紅外系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。在此，通過溶膠-凝膠法在TeO2基底上成功制備了高透射率的紅外增透膜。根據(jù)理論計算，設(shè)計了優(yōu)化組成比的SiO2-TiO2-PVA溶膠和SiO2-TiO2-PEG600溶膠兩種溶膠制備增透膜。分別用掃描電子顯微鏡和分光光度計研究了微觀結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能。在SiO2-TiO2-PVA薄膜涂層樣品中，在1550nm和2008nm處分別實(shí)現(xiàn)了約99.8%和99.6%的高透射率。在SiO2-TiO2-PEG600薄膜涂層樣品中，分別在2330nm和2460nm處實(shí)現(xiàn)了約100%的透射率。兩種AR薄膜都具有非常低的粗糙度，有利于減少表面散射。結(jié)果表明，SiO2-TiO2-PEG600薄膜在退火過程中比SiO2-TiO2-PVA薄膜表現(xiàn)出更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。系統(tǒng)地研究了薄膜的耐附性、耐水、耐高低溫、耐激光等耐久性。
    介紹
    高折射率襯底材料，如Si、Ge、ZnSe和TeO2等，通常用于紅外區(qū)域。這些材料表面紅外輻射的反射損失非常嚴(yán)重，因此如果沒有抗反射（AR）涂層，它們就無法廣泛使用。一般紅外增透膜多采用物理方法制備，如熱蒸發(fā)、電子束蒸發(fā)、磁控濺射等，實(shí)現(xiàn)了3.4-4.8μm、3-5μm、8-12μm等多個紅外波段的增透膜。然而，物理方法價格昂貴，更重要的是，薄膜中的應(yīng)力大，在高能輻照下容易從基板上剝離。因此，探索一種低成本、制備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的紅外增透膜的方法是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。
    溶膠-凝膠法是制備薄膜的常用方法。具有制備工藝簡單，薄膜成分和結(jié)構(gòu)易于調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)。重要的是薄膜主要具有多孔結(jié)構(gòu)，有利于在高能輻照下保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前，溶膠-凝膠法已廣泛用于制備光學(xué)增透膜，應(yīng)用于激光系統(tǒng)的光學(xué)元件和光伏玻璃。用于大功率激光系統(tǒng)終端光學(xué)元件的雙波長或三波長增透膜已被廣泛研究，人們通常關(guān)注的增透波長為351nm、527nm、1053nm或532nm，1064nm。用于光伏玻璃的增透膜是另一個研究重點(diǎn)。為太陽能玻璃制備了多種具有自潔功能的增透膜，增透的重點(diǎn)波長為可見光區(qū)域。到目前為止，幾乎沒有關(guān)于溶膠凝膠法制備紅外波段增透膜的報道。
    TeO2作為一種聲光材料，已廣泛應(yīng)用于聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光可調(diào)濾光片、聲光偏振棱鏡、光束移位器和光束偏振器。而考慮到未鍍膜材料兩個表面的菲涅耳反射損失，TeO2在近紅外和中紅外的透過率只有70-75%左右，因此在TeO2基材表面鍍紅外增透膜非常重要為其應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中，我們計算了不同折射率和厚度的AR薄膜在TeO2襯底上的透射率，并根據(jù)*佳折射率設(shè)計了薄膜成分?；诒∧ぴO(shè)計，采用溶膠-凝膠法制備紅外增透膜。設(shè)計了兩種添加PVA和PEG600的SiO2-TiO2復(fù)合溶膠并包覆在TeO2基底上，分別研究了薄膜結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整膜厚，透射光譜的峰值波長從1550nm調(diào)整到2460nm，*大透射率幾乎達(dá)到100%。
    實(shí)驗(yàn)部分
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    溶膠的制備
    圖1給出了溶膠制備的示意圖。
    圖1.溶膠制備示意圖。
    首先，通過水解和聚合反應(yīng)分別制備SiO2溶膠和TiO2溶膠。然后將TiO2溶膠加入到SiO2溶膠中，通過控制反應(yīng)時間和添加劑的用量，得到用于涂層的復(fù)合溶膠。具體制備過程如下：
    1）SiO2溶膠的制備
    將15mlTEOS和20mlEtOH混合，攪拌30min，記為溶液A；將4.85mlH2O和0.106ml濃HNO3(68wt%)混合，記為溶液B。將溶液B逐滴加入到溶液A中，然后在60℃水浴中攪拌2.5h，得到SiO2溶膠。
    2）TiO2溶膠的制備、
    將2.5mlTBOT、10mlEtOH和2mlHAC混合攪拌30min，記為溶液C；將5mlEtOH、0.5mlH2O和50μLHNO3(68wt%)混合，記為溶液D。將溶液C逐滴加入溶液D中，在60°C水浴中攪拌2h，得到TiO2溶膠。
    3）SiO2-TiO2-PVA溶膠的制備
    將TiO2溶膠滴加到陳化兩天的SiO2溶膠中，60℃水浴攪拌1h，再加入4g甘油，繼續(xù)攪拌1h，*后緩慢加入10ml5wt%PVA水溶液，在室溫下繼續(xù)攪拌2h，得到*終溶膠。
    4）SiO2-TiO2-PEG600溶膠的制備
    將兩份TiO2溶膠滴加到已經(jīng)老化兩天的SiO2溶膠中，并在60℃水浴中攪拌1h。*后加入5wt%PEG600，攪拌1h，得到*終的溶膠。
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    基板處理
    將玻璃基板依次在無水乙醇和去離子水中超聲清洗10min，然后在烘箱中干燥備用。拋光的TeO2基板在無水酒精中清洗，然后用去離子水沖洗，*后在烘箱中干燥。
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    薄膜的制備
    采用浸涂法制備薄膜，具體制備工藝如下：
    將清潔后的基材浸入溶膠中60s，然后以1670-3000μm/s的提升速度拉出。在下一次提升之前，將膜在60°C下干燥10分鐘。根據(jù)需要的膜厚進(jìn)行多次提升工藝。涂層完成后，將薄膜在500°C的空氣中退火1小時以獲得*終樣品。
    結(jié)果與討論
    根據(jù)理論計算，制備了SiO2-TiO2-PVA（Si：Ti=0.9：0.1）和SiO2-TiO2-PEG600（Si：Ti=0.82：0.18）兩種溶膠。用SEM對這兩種溶膠涂布在玻璃基板上得到的薄膜進(jìn)行表征，如圖3所示。圖3a和3b是用SiO2-TiO2-PVA溶膠得到的薄膜的正視圖和截面圖，而圖3c和3d對應(yīng)于用SiO2-TiO2-PEG600溶膠獲得的薄膜。為了容易區(qū)分薄膜和襯底，在薄膜和襯底之間添加了由堿性SiO2溶膠制備的SiO2顆粒組成的隔離層，如圖3b所示?？梢钥闯觯瑑煞N薄膜均表現(xiàn)出平坦的表面和均勻的多孔結(jié)構(gòu)。PVA和PEG600作為成孔劑會在退火過程中蒸發(fā)，從而形成孔結(jié)構(gòu)。另外，通過SiO2-TiO2-PEG600溶膠得到的薄膜比通過SiO2-TiO2-PVA得到的薄膜具有更明顯的孔結(jié)構(gòu)和更高的孔隙率，這可能是由于溶膠中PEG600的比例更高。

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