本发明专利技术为一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，属于光学材料的制备及加工领域。该方法首先对金刚石衬底进行光刻形成阵列化形状，然后通过高温或者等离子体加工去除表面残余石墨相，再同时采用高浓度氧气和低浓度氩气的混合气体对金刚石衬底表面进行活化和终端修饰，最后在处理后的金刚石衬底表面溅射/蒸镀具有增透作用的稀土金属掺杂氧化物膜层，最终得到覆有增透膜的金刚石材料。本发明专利技术方法具有节能环保、操作方便、可控性好、重复性好、误差小等优点，通过本发明专利技术制备方法所得的覆膜金刚石材料具有红外波段透过率高、质量高、均匀性好等优点，可用在军事、航空航天和电子产品等领域。领域。领域。
【技术实现步骤摘要】
一种提高金刚石衬底光学透过率的方法
[0001]本专利技术属于光学材料的制备及加工领域，特别涉及一种改善金刚石光学透过率的方法，具体是一种提高金刚石衬底光学透过率的方法。
技术介绍
[0002]金刚石具有高硬度、高导热性、良好的光学透过率和稳定的化学性质等特点，在高速飞行器红外窗口、高功率激光窗口等光学器件领域有重要的应用前景，但是金刚石高折射率（n=2.4）会引起高达29% 的反射损耗，导致实际透过率达不到70%。目前，主要通过构筑阵列结构和镀制增透膜来提高其透过率。但是单一方法存在以下不足：增透膜与金刚石间物性差别大，膜层的结合力较差，在苛刻环境下极易破裂；构筑阵列结构虽可提高其透过率，但高温抗氧化性能较差，导致透过率急剧下降，同时由于金刚石的超硬特性，所以金刚石表面阵列结构获得困难。目前主要通过化学刻蚀法获得阵列结构，包括在金刚石表面沉积金属或合金膜然后进行干法刻蚀，以及先在衬底上制备微结构，继而沉积阵列金刚石，经反复复制生长获得。但以上方法均存在制备工序较为复杂、成本较高等问题，同时在操作安全性和环保方面有待于进一步提高。
技术实现思路
[0003]本专利技术的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种提高金刚石衬底光学透过率的方法。该方法属于金刚石红外光学元器件应用
，该方法获得的覆膜与金刚石衬底的结合力高、在红外波段有很好的光学透过性，而且具有可控性好、重复率高等优点，能满足光通讯和装备领域对覆有增透膜的金刚石窗口材料的应用要求，该方法制备得到的金刚石材料可应用于光学通讯和传感器窗口等领域的光学窗口元件。
[0004]本专利技术是通过如下技术方案实现的：一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，首先对金刚石衬底进行光刻形成阵列化形状，然后通过高温或者等离子体加工去除表面残余石墨相，再同时采用高浓度氧气和低浓度氩气的混合气体对金刚石衬底表面进行活化和终端修饰，最后在处理后的金刚石衬底表面溅射/蒸镀具有增透作用的稀土金属掺杂氧化物膜层，最终得到覆有增透膜的金刚石材料。
[0005]具体的，该方法包括如下步骤：S1. 形成阵列化形状：利用激光光刻技术在光滑洁净的金刚石衬底顶面进行图案化处理，获得具有柱状体阵列图案的图形化金刚石衬底；S2. 高温或者氧等离子体去除石墨相：将图形化金刚石衬底置于高温处理炉或可加热的真空装置中，通过控制加热温度、时间、通入气体的参数，去除图形化金刚石衬底表面的石墨相；S3. 高浓度氧活化修饰表面：将去除石墨相的图形化金刚石衬底置于溅射或者蒸镀装置中，待真空抽至10
‑3～10
‑
4 Pa后，通入氧气和氩气，活化和终端修饰图形化金刚石衬
底的表面；S4. 稀土金属掺杂氧化物增透膜层的沉积：在溅射或者蒸镀装置中，通过控制气体流量、基体温度、基体偏压、靶材功率、沉积时间的参数，最终获得表面覆有稀土金属掺杂氧化物增透膜层的图形化金刚石衬底。
[0006]进一步的，在步骤S1中，金刚石衬底为单晶或者多晶金刚石衬底，光刻图案为矩形阵列图案、多边形阵列图案或同心圆阵列图案，光刻得到的单个柱状体为矩形柱体、多边形柱体或圆柱体，其边长或直径为1～10 μm，柱状体的高度为0.01～5 μm，相邻单个柱状体的间距为1～100 μm。
[0007]进一步的，在步骤S1中，光刻时的激光频率为0.01～20 kHz，激光轴向速度为0.01～100 μm/s。
[0008]进一步的，在步骤S2中，加热温度为800～1000 ℃，时间为0.5～3 h，气体为氧气，升温速度为1～10 ℃/min，流量为300～600 sccm。
[0009]进一步的，在步骤S3中，氧气与氩气的浓度比为（9～3）：（1～2），活化和终端修饰金刚石表面时气压为5～20 Pa，氧气流量为100～200 sccm，氩气流量为50～100 sccm，基体温度为400～600 ℃，基体偏压为
‑
100～
‑
800 V，活化修饰时间为0.2～1 h。
[0010]进一步的，在步骤S4中，在溅射或者蒸镀装置中，调节气压为1～10 Pa，氩气流量为20～100 sccm，氧气流量为10～100 sccm，基体温度为200～800 ℃，基体偏压为
‑
100～
‑
300 V，靶材溅射功率为30～350 W，沉积时间为0.5～3 h，沉积厚度为1.0～2.0 μm。
[0011]进一步的，靶材采用复合单靶材或混合双靶材，复合单靶材为稀土金属小柱掺杂氧化物陶瓷靶材或稀土金属小柱掺杂金属靶材，混合双靶材为稀土金属靶材和普通金属靶材。
[0012]进一步的，稀土金属包括La、Nd、Er、Sm、Y，普通金属包括Zr、Mg、Al。
[0013]同理，如在双面抛光的金刚石衬底的顶面及底面分别进行光刻，并重复完成上述制备方法的后续操作，即为双面覆膜提高金刚石衬底光学透过率的方法。
[0014]本专利技术方法中，激光光刻直接作用于金刚石衬底，形成的阵列具有结构简单、操作方便、易于控制、环保绿色等优点；氧气和氩气刻蚀具有活化表面、氧可修饰金刚石表面，进而提高薄膜与金刚石衬底之间结合力的优点；进一步沉积氧化物或稀土金属掺杂氧化物增透膜层，稀土金属具有细化氧化物晶体晶粒、增强其与基体之间的结合力的作用；同时，氧化物或稀土金属掺杂氧化物膜层作为减反射薄膜具有高熔点、高硬度以及低膨胀系数等优点，能够维持金刚石在高氧和高温环境中的稳定性，并且能够提高金刚石在红外波段的透过率，本专利技术方法就是基于上述技术优势，而提出的一种提高金刚石衬底光学透过率的方法。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术方法具有节能环保、操作方便、可控性好、重复性好、误差小等优点，激光光刻直接作用于金刚石衬底形成阵列的方式具有结构简单、操作方便、易于控制、环保绿色等优点；阵列结构具有减反射效果，氧气和氩气刻蚀具有活化表面、氧可修饰金刚石衬底表面，进而提高薄膜与金刚石衬底之间结合力的优点；进一步沉积氧化物或稀土金属掺杂氧化物增透膜层，稀土金属具有细化氧化物晶体晶粒、增强其与基体之间的结合力的作用；同时，氧化物或稀土金属掺杂氧化物膜层作为减反射薄膜具有高熔点、高硬度以及低膨胀系
数等优点，能够维持金刚石在高氧和高温环境中的稳定性，并且能够提高金刚石在不同波段的透过率。通过本专利技术制备方法所得的覆膜金刚石材料具有远红外波段透过率高、质量高、均匀性好等优点，可用在军事、航空航天和电子产品等领域。
[0016]附图说明：为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0017]图1为本专利技术方法的单层覆膜金刚石工艺流程图。
[0018]图2为本专利技术方法制备得到的单层覆膜金刚石的截面图。...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1. 形成阵列化形状：利用激光光刻技术在光滑洁净的金刚石衬底顶面进行图案化处理，获得具有柱状体阵列图案的图形化金刚石衬底；S2. 高温或者氧等离子体去除石墨相：将图形化金刚石衬底置于高温处理炉或可加热的真空装置中，通过控制加热温度、时间、通入气体的参数，去除图形化金刚石衬底表面的石墨相；S3. 高浓度氧活化修饰表面：将去除石墨相的图形化金刚石衬底置于溅射或者蒸镀装置中，待真空抽至10
‑3～10
‑
4 Pa后，通入氧气和氩气，活化和终端修饰图形化金刚石衬底的表面；S4. 稀土金属掺杂氧化物增透膜层的沉积：在溅射或者蒸镀装置中，通过控制气体流量、基体温度、基体偏压、靶材功率、沉积时间的参数，最终获得表面覆有稀土金属掺杂氧化物增透膜层的图形化金刚石衬底。2.根据权利要求1所述的一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，其特征在于：在步骤S1中，金刚石衬底为单晶或者多晶金刚石衬底，光刻图案为矩形阵列图案、多边形阵列图案或同心圆阵列图案，光刻得到的单个柱状体为矩形柱体、多边形柱体或圆柱体，其边长或直径为1～10 μm，柱状体的高度为0.01～5 μm，相邻单个柱状体的间距为1～100 μm。3.根据权利要求1所述的一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，其特征在于：在步骤S1中，光刻时的激光频率为0.01～20 kHz/，激光轴向速度为0.01～100 μm/s。4.根据权利要求1所述的一种提高金刚石衬底光学透过率的方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴艳霞，于盛旺，汪利敏，刘颖，高洁，黑鸿君，王永胜，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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