一種高性能減反射膜的制備方法

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業(yè)研發(fā)生產(chǎn)光學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灣創(chuàng)業(yè)園區(qū)，專業(yè)的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產(chǎn)品主要涉及光學儀器及其零配件的研發(fā)和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監(jiān)控等光學鍍膜產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為全球客戶提供上等的產(chǎn)品和服務。

摘要

本論文聚焦于高性能減反射膜的制備方法研究。通過對膜系結構的**設計、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、高透過率的減反射膜。實驗數(shù)據(jù)表明，該減反射膜在可見光及近紅外波段（400 - 1100nm）平均反射率低于 1%，平均透過率超過 98%，且具備良好的機械性能和化學穩(wěn)定性。此制備方法為光學儀器、顯示設備、光伏組件等領域提供了高效可靠的減反射解決方案，有助于提升相關設備的光學性能和使用效能。

關鍵詞：高性能減反射膜；制備方法；膜系設計；鍍膜材料；光學性能

一、引言

在光學領域，光線在光學元件表面的反射會導致光能損失，降低光學設備的成像質(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功能膜，通過減少光線反射、增加光線透過，在提升光學設備性能方面發(fā)揮著關鍵作用。隨著光學技術的不斷發(fā)展，如精密光學儀器、高清顯示設備、高效光伏組件等領域?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)實意義和應用價值。

二、高性能減反射膜的原理

2.1 光學干涉原理

高性能減反射膜的核心原理基于光學干涉。當光線從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，由于兩種介質(zhì)折射率不同，在界面處會發(fā)生反射和折射。減反射膜通過在光學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)光學干涉理論，當光程差滿足半波長的奇數(shù)倍時，反射光的相位差達到 180°，這些反射光相互干涉抵消，從而減少反射光強度，增加光線透過率。通過**設計膜系結構，可在特定光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高效的減反射效果 。

2.2 膜系結構設計

為實現(xiàn)寬光譜、高性能的減反射效果，膜系結構設計至關重要。通常采用多層膜結構，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?） 。利用光學薄膜設計軟件，結合理論計算和模擬，根據(jù)目標光譜范圍、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，同時兼顧膜層的機械性能和化學穩(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?在可見光和近紅外波段具有較高的折射率（n≈2.3 - 2.5），化學穩(wěn)定性良好，且成本相對較低，易于通過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，能夠增強膜層的機械性能，提升膜層在實際使用中的耐用性 。

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**，化學穩(wěn)定性強。SiO?與高折射率材料兼容性良好，能夠形成穩(wěn)定的多層膜結構，有助于實現(xiàn)膜系的光學性能優(yōu)化 。同時，SiO?膜層還具有良好的耐候性，可適應不同的使用環(huán)境 。

3.3 輔助材料

為進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氧化鋁（Al?O?）顆粒，能夠增強膜層的硬度和抗刮擦性能；添加有機硅烷偶聯(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 基底預處理

基底的表面狀態(tài)對減反射膜的性能有重要影響。選取光學玻璃、藍寶石、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基底進行超聲波清洗，去除表面的油污、灰塵、雜質(zhì)等；然后用高純度乙醇進行擦拭，進一步清潔表面；*后將基底放入真空室中，通過等離子體清洗處理，去除表面殘留的有機物，提高基底表面活性，增強膜層與基底的結合力。

4.2 鍍膜方法選擇

采用磁控濺射鍍膜技術進行減反射膜的制備。磁控濺射鍍膜技術具有成膜均勻性好、膜層致密性高、成分可控性強等優(yōu)點，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。在濺射過程中，以高純金屬靶材（Ti、Ta、Si）為原料，通過氬離子轟擊靶材，使靶材原子或分子沉積在基底表面形成薄膜 。

4.3 鍍膜過程

將預處理后的基底固定在鍍膜設備的樣品架上，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，通過調(diào)整濺射參數(shù)，實現(xiàn)各膜層的**制備 。根據(jù)膜系設計要求，重復交替沉積各層薄膜，直至完成整個膜系的制備 。

4.4 后處理

鍍膜完成后，對樣品進行熱處理。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 小時后隨爐冷卻 。熱處理能夠消除膜層內(nèi)應力，改善膜層的結晶結構，提高膜層的光學性能和機械性能 。此外，還可對膜層進行表面鈍化處理，進一步增強膜層的化學穩(wěn)定性和抗腐蝕能力 。

五、性能測試與分析

5.1 光學性能測試

使用分光光度計在 200 - 2000nm 波長范圍內(nèi)對鍍膜樣品進行反射率和透過率測試 。結果顯示，未鍍膜基底在可見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%，平均透過率超過 98%，有效減少了光線反射損失，顯著提高了光線透過率 。

5.2 機械性能測試

采用鉛筆硬度測試法評估膜層硬度，結果顯示膜層硬度達到 6H 以上，具有良好的耐磨性 ；通過百格測試法檢測膜層附著力，使用 3M 膠帶粘貼并撕下后，膜層無脫落現(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，以及進行 - 40℃至 80℃的高低溫循環(huán)測試（循環(huán)次數(shù) 50 次） 。測試后樣品的光學性能和機械性能無明顯衰減，證明該減反射膜具有良好的環(huán)境耐受性 。

六、結論

本論文提出的高性能減反射膜制備方法，通過優(yōu)化膜系結構、精選鍍膜材料和改進制備工藝，成功制備出具有優(yōu)異光學性能、良好機械性能和環(huán)境耐受性的減反射膜。該制備方法為光學領域提供了一種高效可靠的技術方案，可廣泛應用于光學儀器、顯示設備、光伏組件等產(chǎn)品中，有助于提升相關產(chǎn)品的性能和市場競爭力。未來，可進一步探索新型鍍膜材料和工藝，優(yōu)化膜系設計，以滿足更高性能要求和更廣泛應用場景的需求。

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