一种可见光波段的硬度梯度增透膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种可见光波段的硬度梯度增透膜，包括：基底；设置在基底上

【技术实现步骤摘要】
一种可见光波段的硬度梯度增透膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种光学元件，具体涉及一种可见波段的硬度梯度增透膜及其制备方法，可应用于智能手机
、
平板电脑
、
零售扫描仪
、
眼镜
、
住宅和建筑窗户
、
安防监控镜头
、
车载镜头
、
汽车挡风玻璃等领域
。

技术介绍

[0002]先进工程应用中需要开发一种新型的透明硬质薄膜，以满足生物医学
、
航空航天
、
电子
、
汽车和光学等许多应用的需求
。
然而，开发一种既具有高光学透明度又具有蓝宝石般硬度的先进涂层仍然具有挑战，因为薄膜的机械和光学性能通常相互矛盾
。
近年来，研究人员提出了各种可以满足划痕和摩擦性能的透明硬质涂层
。
其中，
S.Bruns
等人利用氮化物取代氧化物薄膜材料的方法在玻璃和蓝宝石基板上镀
Si3N4/SiO2增透膜，实现可见
400nm
～
800nm
波段的高透过率
(Deposition of abrasion resistant single films and antireflective coatings on sapphire,Surf.Coat.Technol.290,10(2016))。Paulson
等人利用硬度高厚度大的氮化硅薄膜作为插入层，由两层折射率匹配的薄膜堆叠在两侧，制备出多层的三明治结构
。
中间层的氮化硅厚度决定了实现的硬度可以超过
18GPa(Industrial
‑
grade anti
‑
reflection coatings with extreme scratch resistance,Opt.Lett.44,5977(2019))。
[0003]但是上述方法制备中用到的金属氮化物薄膜，尤其是具有一定厚度的硅氮化物，其硬度与韧性的物理属性是互相排斥的
。
[0004]目前关于硬质薄膜韧性相关的文献报道主要有：
[0005]中国专利文献
CN102965635B
公开了一种硬质薄膜韧性的处理方法，采用离子注入机向硬质薄膜中注入离子，离子的种类为硬质薄膜组成元素中的一种或几种
。
所述硬质薄膜为维氏硬度不小于
20GPa
的金属氮化物薄膜；所述金属氮化物薄膜的厚度为5μ
m
～
15
μ
m。
注入离子能够形成钉扎效应和压应力效应，用以抑制硬质薄膜表面微裂纹向薄膜内部扩展，以此来提高薄膜的脆性断裂抗力，解决金属氮化物薄膜在使用过程中的脆性失效问题
。
[0006]中国专利文献
CN1129678C
公开了一种氮化钛铌超硬梯度薄膜，通过调节两种靶材的弧电流随时间函数的连续变化，来控制薄膜动态生长到不同厚度时的成分，沉积合成氮化钛铌
(TixNbj
‑
x)N
超硬质梯度薄膜，使合成的薄膜内应力小
、
里侧结合好，外侧硬度高
。
[0007]尽管人们对溅射技术沉积的硬涂层的机械和摩擦学性能进行了广泛的研究，但这些硬质涂层材料在可见光波段范围内往往是不透明的
。
除此之外，硬质薄膜研究一般镀在不锈钢衬底上，高透明度硬质薄膜尚未报道
。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种可见光波段的硬度梯度增透膜的制备方法，该方法具有优异的机械耐久性和光学透明度，且便于大规模制备
、
批量化生产
。
[0009]一种可见光波段的硬度梯度增透膜，包括基底，所述基底上依次设有逐渐升高的
硬度梯度层，顶部低折射率匹配层
。
其中梯度结构
(
硬度梯度层
)
中插入了超薄的低折射率膜层，其目的是拓展光谱带宽
。
梯度结构中元素成分逐渐变化，其硬度随膜层成分变化而改变，从基板
(
即基底
)
侧到空气逐渐增加，折射率逐渐升高
。
[0010]进一步讲，一种可见光波段的硬度梯度增透膜，包括：
[0011]基底；
[0012]设置在基底上
、
且自基底向外硬度逐渐增加的硬度梯度层；
[0013]设置在硬度梯度层顶部的低折射率匹配层；
[0014]以及穿插在硬度梯度层内的一个或多层超薄的低折射率膜层
。
[0015]下面为基于上述方案的优选的方案：
[0016]所述基片
(
即基底
)
可以根据使用场合进行选择和确定
。
本专利技术得到的硬质梯度增透膜可以应用于智能手机
、
平板电脑
、
零售扫描仪
、
眼镜
、
住宅和建筑窗户
、
安防监控镜头
、
车载镜头
、
汽车挡风玻璃等领域
。
所以基片可以是手机
、
电脑等屏幕材料，或者扫描仪屏幕等，也可以是玻璃等材料，或者其他柔性材料
。
[0017]作为优选，所述硬度梯度层由下至上材料折射率逐渐增加，硬度逐渐提高，通过调节溅射过程中的气氛比例，来控制膜层成分变化，进而制备超硬质梯度薄膜，使合成的薄膜内应力小
、
里侧结合好，外侧硬度高
。
[0018]所述硬度梯度层可以是成分连续变化的膜层结构，也可以由一系列折射率或硬度具有阶梯式的多层膜构成
。
[0019]作为优选，所述硬度梯度层材料可以选择
SiOxNy、AlOxNy、SiuTavOxNy、SiuAlvOxNy
以及其他三元或四元化合物；作为进一步优选，所述硬度梯度层可以选择
SiOxNy。
[0020]上述三元混合物或四元混合物中，氮氧的比例范围是通过溅射过程中不同气氛占比控制的
。
制备过程中，氧气的流量在
30sccm
‑
300sccm
之间；优选
50sccm
‑
150sccm
；进一步优选
60sccm
‑
100sccm。
氮气的流量在
30sccm
‑
300sccm
之间；优选
50sccm
‑
150sccm
；进一步优选
60sccm
‑
100sccm。
四元混合物中，
Si
和
Al
的成分比例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种可见光波段的硬度梯度增透膜，其特征在于，包括：基底；设置在基底上
、
且自基底向外硬度逐渐增加的硬度梯度层；设置在硬度梯度层顶部的低折射率匹配层；以及穿插在硬度梯度层内的一个或多层超薄的低折射率膜层
。2.
根据权利要求1所述的可见光波段的硬度梯度增透膜，其特征在于，所述硬度梯度层采用
SiOxNy、AlOxNy、SiuTavOxNy、SiuAlvOxNy
以及其他三元或四元化合物，通过调节其中元素比例实现所述硬度逐渐增加，其中
O
和
N
元素的比例范围是通过
ICP
反应气体通入量改变气氛占比控制；
Si
和
Al
的成分比例是通过
Si
靶和
Al
靶的溅射功率控制
。3.
根据权利要求1所述的可见光波段的硬度梯度增透膜，其特征在于，所述硬度梯度层的总厚度
D
为
100
‑
5000nm。4.
根据权利要求1所述的可见光波段的硬度梯度增透膜，其特征在于，所述硬度梯度层可以是成分连续变化的膜结构，也可以由一系列折射率或硬度具有阶梯式的多层膜构成
。5.
根据权利要求1所述的可见光波段的硬度梯度增透膜，其特征在于，硬度梯度层的层数为3～
10
；两个相邻硬度梯度层之间插...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟东，王雨思，杨陈楹，郑婷婷，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：