一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构及制备方法，用以解决现有技术中红外光学窗口薄膜在潮湿环境中易吸潮而出现脱膜、开裂等问题。所述复合薄膜结构将预设的单层Y2O3薄膜厚度进行均等分为n+1层，每相邻层Y2O3薄膜间插入由(Y2O3)

【技术实现步骤摘要】
一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构及制备方法


[0001]本专利技术属于光学薄膜领域，具体涉及一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构及制备方法。

技术介绍

[0002]红外光学窗口作为一种红外光学元件，常用于各种仪器观察窗、激光发射器的端面窗口等。当用于机载设备时，由于气动热和气动力的作用，红外光学窗口会处于复杂的热力混合作用状态，材料的结构和热力学性质也会发生变化。ZnS作为成像的下视平面光学窗口是目前最佳的选择。然而，ZnS光滑表面在长波红外波段的透过率低于76％，存在着较大的剩余反射损失，因此材料在用作红外成像光学窗口时必须对其表面进行减反射处理；同时，在高速飞行的过程中，气动加热效应严重影响薄膜的附着性、抗化学侵蚀性以及高温红外光学特性等。
[0003]目前，对ZnS光学窗口进行保护处理一般采用镀增透保护薄膜的方法，通常采用过渡族金属氧化物薄膜，如氧化钇(Y2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化铪(HfO2)和氧化锆(ZrO2)等作为远红外光学增透保护薄膜或作为多层增透保护膜系中的一层。其中，Y2O3薄膜材料具有优异的高温稳定性、抗失稳强度以及与红外ZnS窗口材料匹配等优点，而且其在较高温度服役时自由载流子浓度和自身光辐射较小,具有低发射率低，在可见光和红外波段透过效果好的特点，已成为近年来红外窗口和整流罩增透保护的优选薄膜材料之一。
[0004]现有技术中，通常采用电子束蒸发法制备Y2O3薄膜，所制备的薄膜具有较低的红外吸收损耗，能够获得较高的远红外(7.5～9.7μm)增透效果，但结构较为疏散，长期放置在大气或潮湿环境中极易产生吸潮，进而在膜层基底界面附件发生电化学反应，造成Y2O3薄膜脱膜、开裂等结构损伤。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本专利技术旨在提供一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构及制备方法，在Y2O3红外增透薄膜中引入1～4个超薄致密复合(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
(x＝0.2～0.8)渐变阻隔层，在不影响膜层红外光学透射性能的同时，有效阻隔外部潮湿环境中水分子的渗透，避免诱发Y2O3薄膜脱层、开裂等结构损伤的产生，提升红外窗口及薄膜在复杂应用环境下的长期稳定性。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术实施例采用如下技术方案：
[0007]第一方面，本专利技术实施例提供了一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构，所述复合薄膜结构包括将预设的单层Y2O3薄膜厚度均等分为n+1层后，每相邻层Y2O3薄膜间插入的由(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜构成的渐变层。
[0008]作为本专利技术的一个优选实施例，所述n取值为1～5。
[0009]作为本专利技术的一个优选实施例，所述渐变层为(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜，其中x＝0.2～0.8。
[0010]作为本专利技术的一个优选实施例，所述复合薄膜结构为：
[0011]Sub//(z1H y1M)
n
z1H/Air；
[0012]其中，Sub代表ZnS窗口材料，H代表Y2O3薄膜材料，M代表复合渐变层(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
，n代表引入的复合渐变层层数，Air代表空气，z1、y1代表对应膜层的光学厚度系数，且(n+1)
×
z1＝z0，y1＝0.02～0.08；z0为单层Y2O3薄膜光学厚度系数，对于3.7～4.8μm波段区间，z0＝0.9～1.1；对于7.5～9.7μm波段区间，z0＝1.9～2.5；单位光学厚度为λ0/4，λ0＝4.0μm。
[0013]第二方面，本专利技术实施例还提供了一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构的制备方法，所述制备方法将预设的单层Y2O3薄膜厚度均等分为n+1层，且在每相邻层Y2O3薄膜间插入由(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜构成的渐变层。
[0014]作为本专利技术的一个优选实施例，所述制备方法包括如下步骤：
[0015]步骤S1，根据基底及入射光波长，确定单层Y2O3薄膜的光学厚度；
[0016]步骤S2，选择预插入渐变层层数n，将所述单层Y2O3薄膜的光学厚度均等分为n+1层，计算每层Y2O3薄膜层及渐变层预定厚度；
[0017]步骤S3，将无油污、尘粒、擦痕的基底放入真空度小于8
×
10-2
Pa的真空室内烘烤；再打开冷凝泵，对真空室抽真空至6.0
×
10-4
Pa；
[0018]步骤S4，采用等离子束对基底进行预清洗；
[0019]步骤S5，采用物理气相沉积法在所述基底上蒸镀第i层预定厚度的Y2O3薄膜层；i初始值为1；i＜n+1时，进入步骤S6；i＝n+1时，进入步骤S7；
[0020]步骤S6，通过共蒸发的方式，生长制备复合渐变层(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜；i＝i+1；转入步骤S5；
[0021]步骤S7，对真空室降温至低于80℃时，取出薄膜样品。
[0022]作为本专利技术的一个优选实施例，所述根据基底及入射光波长，确定单层Y2O3薄膜的光学厚度为z0λ0/4，单位光学厚度为λ0/4，λ0＝4.0μm，对于3.7～4.8μm波段区间，确定单层Y2O3薄膜的光学厚度系数z0＝0.9～1.1；对于7.5～9.7μm波段区间，确定单层Y2O3薄膜的光学厚度系数z0＝1.9～2.5。
[0023]作为本专利技术的一个优选实施例，所述步骤S2中计算每层Y2O3薄膜层及渐变层预定厚度，具体为：
[0024]渐变复合薄膜结构为Sub//(z1H y1M)
n
z1H/Air；
[0025]其中，Sub代表ZnS窗口材料，H代表Y2O3薄膜材料，M代表复合渐变层(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
，x＝0.2～0.8，n代表引入的复合渐变层层数，Air代表空气，z1、y1代表对应膜层的光学厚度系数且(n+1)
×
z1＝z0，y1＝0.02～0.08。
[0026]作为本专利技术的一个优选实施例，所述步骤S5中物理气相沉积参数为：蒸发温度120～300℃，蒸发速率0.1～0.45nm/s，真空通氧量10～30sccm，电子束束流150～300mA，离子源线圈电流20～35mA，射频偏转电压60～100V；
[0027]所述步骤S6的物理气相沉积中，Y2O3蒸发参数为：蒸发温度120～300℃，蒸发速率0.1～0.45nm/s，真空通氧量10～30sccm，电子束束流150～300mA，离子源线圈电流20～35mA，射频偏转电压60～100V；Al2O3蒸发参数为：温度200～300℃，蒸发速率0.1～0.45nm/s，本底真空度6～8
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构，其特征在于，所述复合薄膜结构包括将预设的单层Y2O3薄膜厚度均等分为n+1层后，每相邻层Y2O3薄膜间插入的由(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜构成的渐变层。2.根据权利要求1所述的抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构，其特征在于，所述n取值为1～5。3.根据权利要求1或2所述的抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构，其特征在于，所述渐变层为(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜，其中x＝0.2～0.8。4.根据权利要求3所述的抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构，其特征在于，所述复合薄膜结构为：Sub//(z1H y1M)
n
z1H/Air；其中，Sub代表ZnS窗口材料，H代表Y2O3薄膜材料，M代表复合渐变层(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
，n代表引入的复合渐变层层数，Air代表空气，z1、y1代表对应膜层的光学厚度系数，且(n+1)
×
z1＝z0，y1＝0.02～0.08；z0为单层Y2O3薄膜光学厚度系数，对于3.7～4.8μm波段区间，z0＝0.9～1.1；对于7.5～9.7μm波段区间，z0＝1.9～2.5；单位光学厚度为λ0/4，λ0＝4.0μm。5.一种抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法将预设的单层Y2O3薄膜厚度均等分为n+1层，且在每相邻层Y2O3薄膜间插入由(Y2O3)
x
(Al2O3)
1-x
薄膜构成的渐变层。6.根据权利要求5所述的抗潮解的Y2O3基复合薄膜结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤S1，根据基底及入射光波长，确定单层Y2O3薄膜的光学厚度；步骤S2，选择预插入渐变层层数n，将所述单层Y2O3薄膜的光学厚度均等分为n+1层，计算每层Y2O3薄膜层及渐变层预定厚度；步骤S3，将无油污、尘粒、擦痕的基底放入真空度小于8
×
10-2
Pa的真空室内烘烤；再打开冷凝泵，对真空室抽真空至6.0
×
10-4
Pa；步骤S4，采用等离子束对基底进行预清洗；步骤S5，采用物理气相沉积法在所述基底上蒸镀第i层预定厚度的Y2O3薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚鹏，刘华松，刘丹丹，邢宇哲，何家欢，
申请(专利权)人：天津津航技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：