Широкополосные гибридные интерференционные покрытия с высокой механической прочностью и влагостойкостью для ИК области спектра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Баранов, Александр Николаевич

• Баранов, Александр Николаевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Баранов, Александр Николаевич

Оглавление

Стр.

Введение

Глава 1. Аморфные алмазоподобные углеродные пленки

1.1 Способы получения и свойства пленок

1.2 Механизм роста пленок

1.3 Осаждение пленок из ионного пучка источника с эффектом Холла

1.4 Внедрение пленок в многослойную интерференционную конструкцию

1.5 Выводы

Глава 2. Синтез гибридных широкополосных просветляющих

покрытий

2.1 Существующие подходы

2.2 Предлагаемый метод

2.3 Экспериментальные данные

2.3.1 Аттестация пленкообразующих материалов

2.3.2 Изготовление просветляющих покрытий

2.4 Выводы

Глава 3. Синтез гибридных широкополосных светоделительных

покрытий

3.1 Существующие подходы

3.2 Предлагаемый метод

3.3 Экспериментальные данные

3.4 Выводы

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Широкополосные гибридные интерференционные покрытия с высокой механической прочностью и влагостойкостью для ИК области спектра»

Введение

В настоящее время в большинстве оптико-электронных приборов используются оптические покрытия. Среди них можно выделить просветляющие, све-тоделительные, зеркальные, спектроделительные и др. интерференционные системы. Наибольшее распространение в ИК оптических приборах получили просветляющие оптические покрытия, что обусловлено необходимостью снизить большие потери на отражение от поверхностей оптических элементов, изготовленных обычно из материалов с высоким показателем преломления.

Большой интерес проявляется к многоспектральным и широкополосным оптическим покрытиям. Многоспектральными оптическими покрытиями называют покрытия, которые могут работать в нескольких диапазонах электромагнитного излучения. Широкополосными покрытиями называют покрытия с шириной рабочего спектрального диапазона BW > 1,5, где BW = Хи/А/, а А/ и Хи — нижняя и верхняя границы спектрального диапазона. Такие покрытия, в частности, могут быть использованы для

— наблюдательных оптических приборов, работающих днем и ночью,

— беспилотной авиационной тепловизионной съемки (термосъемка трубопроводов, пожарный контроль, обнаружение дефектов зданий, выявление мест незаконного сброса водных отходов),

— тепловизионных приборов специального назначения (разведка, обнаружение живой силы и техники, слежение за целью, наведение на цель и т.д.).

Помимо оптических свойств важную роль играют эксплуатационные характеристики покрытий. Согласно ОСТ 3-1901-95 [1] к ним относится механическая прочность (прочность на истирание), влагоустойчивость, химическая устойчивость (к органическим растворителям, уксусной кислоте, щелочи), термическая прочность. Этот комплекс характеристик определяется неблагоприятными внешними условиями, в которых может эксплуатироваться оптический прибор. Интерференционные покрытия, работающие в ИК области спектра, традиционно содержат слои фторидов (РЪР2, ТЬР2, ВаР2) и халькогенидов ZnSe, РЪ8), обладающие удовлетворительными оптическими свойствами, но имеющими малую механическую прочность, влагостойкость и химиче-

скую устойчивость. Пленки, изготовленные из оксидов, характеризуются гораздо лучшими механическими свойствами, однако из-за поглощения в ИК области спектра их применение ограничено очень тонкими слоями. Полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, обладают средними механическими свойствами, но имеют высокий показатель преломления. На сегодняшний день существует несколько вариантов получения более прочных ИК покрытий [2]:

— формирование органических полимерных слоев (полиметилметакрилат ЛПТ-1, полистирол ПСМД, фенилметилполисилоксан КМФ-29, хлорированный натуральный каучук ХНК-20, фторорганический полимер Ф32Л). Данные пленки характеризуются высокой влагостойкостью, но невысокой механической прочностью (вторая группа согласно ОСТ 3-1901-95). Полиметилметакрилат, кроме того, выдерживает нагрев лишь до 100°0, а полистирол до 130°0;

— формирование тонких слоев оксидов металлов (тантала, ниобия, висмута, церия, кремния, алюминия) поверх многослойного интерференционного покрытия на границе со средой падения света. Эффективность данного подхода определяется монолитностью слоев и обычно позволяет достичь первой группы механической прочности покрытия согласно ОСТ 3-1901-95. Кроме того, слои оксидов металлов, как уже было сказано выше, поглощают в ИК области спектра;

— формирование углеродсодержащих алмазоподобных покрытий (ЭЬО). ЭЬО пленки характеризуются нулевой группой механической прочности, первой группой влагостойкости, устойчивы к химическим реагентам. Хорошая адгезия ЭЬО пленок наблюдается к оптическим элементам, изготовленным из кремния или германия.

Углеродсодержащие алмазоподобные покрытия являются однослойными интерференционными покрытиями и вследствие этого эффективность их оптических характеристик сильно ограничена. Например, однослойное просветляющее покрытие будет иметь минимальный энергетический коэффициент отражения лишь на одной длине волны с небольшой шириной рабочего спектрального диапазона.

Гибридные интерференционные покрытия сочетают высокие эксплуатационные характеристики ЭЬО пленок со спектральными характеристиками многослойных интерференционных систем, изготовленных из традиционных пленко-

образующих материалов. Это достигается за счет введения в структуру покрытия алмазоподобного углеродного слоя (рисунок 1). Синтез гибридных интерференционных покрытий является актуальной темой в оптике тонких пленок, что подтверждается появлением публикаций в последние годы [3—7].

Оптический элемент

Рисунок 1 — Структура гибридного интерференционного покрытия [3].

Широкому внедрению гибридных ИК покрытий препятствуют технологические сложности, возникающие при их изготовлении. Речь идет в первую очередь о плохой адгезии между ЭЬС слоем и прилегающим к нему диэлектрическим слоем. Этот эффект обусловлен химической структурой ЭЬС слоя, разницей в коэффициентах термического расширения и эластичности материалов (рисунок 2). Подробный анализ данного вопроса представлен в главе 1 диссертации.

Рисунок 2 — Воздействия на многослойную структуру при внедрении ЭЬС

слоя [3].

Указанные обстоятельства определяют актуальность и важность темы диссертации.

Степень научной проработанности проблемы

Существенный вклад в исследование методов синтеза и изготовления ИК покрытий внесли ученые из АО «ГОИ им. С. И. Вавилова» (Пашкова Н. А., Соколова Р. С., Муранова Г. А.), АО «НПО ГИПО» (Гайнутдинов И. С.), Университета ИТМО (Путилин Э. С., Губанова Л. А.) и др. В их работах отражены основные вопросы расчета конструкций интерференционных покрытий, исследования оптических характеристик тонких слоев, разработки технологии изготовления ИК покрытий, контроля толщин слоев в процессе формирования покрытий. Исследуется проблема синтеза многоспектральных и широкополосных покрытий. Однако, в этих работах не рассматривается вопрос синтеза широкополосных гибридных интерференционных покрытий.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования базировались на основных положениях теоретических моделей, описывающих энергетические и фазовые характеристики многослойных систем, образованных прозрачными слоями, а также на методах математического моделирования с помощью компьютерного программного обеспечения.

Целью данной работы является разработка широкополосных гибридных интерференционных покрытий с высокой механической прочностью и влагостойкостью для ИК области спектра.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Разработать метод повышения устойчивости интерференционных покрытий для ИК области спектра к внешним воздействиям (истирание поверхности, повышенная влажность).

2. Разработать метод синтеза широкополосных гибридных просветляющих покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (механическая прочность, влагостойкость).

3. Разработать метод синтеза широкополосных гибридных светоделитель-ных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (механическая прочность, влагостойкость).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Повышение устойчивости интерференционных покрытий для ИК области спектра к внешним воздействиям (истирание поверхности, повышенная влажность) может быть реализовано за счет введения в струк-

туру наружного алмазоподобного углеродного слоя и адгезионного слоя из германия.

2. Метод синтеза, заключающийся в расчете ступенчатого профиля показателя преломления многослойной системы, изменяющего свое значение от показателя преломления оптического элемента до показателя преломления среды падения света, последующей замене слоев на эквивалентные симметричные системы и внедрении наружного алмазопо-добного углеродного слоя, позволяет получить конструкции широкополосных гибридных просветляющих покрытий с нулевой группой механической прочности и первой группой влагостойкости согласно ОСТ 3-1901-95.

3. Метод синтеза, заключающийся в расчете ступенчатого профиля показателя преломления многослойной системы, изменяющего свое значение от показателя преломления оптического элемента до показателя преломления, определяемого требуемым значением энергетического коэффициента отражения, последующей замене слоев на эквивалентные симметричные системы и внедрении наружного алмазоподобного углеродного слоя, позволяет получить конструкции широкополосных гибридных светоделительных покрытий с нулевой группой механической прочности и первой группой влагостойкости согласно ОСТ 3-1901-95.

Научная новизна:

1. Разработан метод повышения устойчивости интерференционных покрытий для ИК области спектра к внешним воздействиям (истирание поверхности, повышенная влажность) за счет введения в структуру наружного алмазоподобного углеродного слоя и адгезионного слоя из германия.

2. Разработан метод синтеза широкополосных гибридных просветляющих покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (механическая прочность, влагостойкость).

3. Разработан метод синтеза широкополосных гибридных светоделитель-ных покрытий с улучшенными эксплуатационными характеристиками (механическая прочность, влагостойкость).

Научная значимость

1. Установлено соотношение между показателями преломления слоев, входящих в состав широкополосных ступенчатых просветляющих покрытий, и шириной спектрального диапазона, в котором наблюдается эффект просветления.

2. Разработана методика выбора пленкообразующих материалов, используемых для формирования слоев, входящих в состав светоделительного покрытия, позволяющего обеспечить деление светового потока в заданном соотношении между энергетическими коэффициентами пропускания и отражения в известном спектральном диапазоне.

Практическая значимость

1. Разработан метод получения гибридных покрытий с использованием ионного источника с эффектом Холла.

2. Введение алмазоподобного углеродного слоя и адгезионного слоя из германия в состав просветляющих покрытий позволило увеличить их механическую прочность до нулевой группы и влагостойкость до первой группы согласно ОСТ 3-1901-95.

3. Введение алмазоподобного углеродного слоя и адгезионного слоя из германия в состав светоделительных покрытий позволило увеличить их механическую прочность до нулевой группы и влагостойкость до первой группы согласно ОСТ 3-1901-95.

4. Экспериментально получены конструкции широкополосных гибридных просветляющих покрытий на оптических элементах, изготовленных из германия, обеспечивающие снижение коэффициента отражения от одной поверхности в 20 раз в спектральном диапазоне от 3 до 10 мкм, устойчивые к истиранию. Данные покрытия выдерживают более 4000 оборотов на приборе СМ-55 в отличие от ранее разработанных, выдерживающих 2000-3000 оборотов, согласно ОСТ 3-1901-95.

5. Экспериментально получены конструкции широкополосных гибридных светоделительных покрытий на оптических элементах, изготовленных из селенида цинка, обеспечивающие соотношение Т х Д=0,23-0,25 в спектральном диапазоне от 2 до 10 мкм, устойчивые к истиранию и влаге. Данные покрытия выдерживают более 4000 оборотов на приборе СМ-55 в отличие от ранее разработанных, выдерживающих 1000-2000 оборотов, согласно ОСТ 3-1901-95.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается строгостью доказательств и утверждений, корректным использованием математического аппарата, достоверностью применяемых математических моделей, сопоставимостью результатов теоретических исследований и экспериментов. Результаты находятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами.

Практическая реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены в научную и производственную деятельность АО «ГОИ им. С. И. Вавилова». Это позволило повысить качество производимых ИК оптических элементов и приборов. Результаты внедрялись при выполнении НИОКР по темам: ОБЬ-ИК, Клистрон, Фильтр-Л, Волга 25 Ш, что подтверждается актом внедрения.

Работа по аттестации пленкообразующих материалов поддержана индивидуальным грантом комитета по науке и высшей школе Правительства Санкт-Петербурга в 2016 году.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на научно-технических конференциях: III конференции молодых ученых и специалистов «Будущее оптики-2015» в 2015 году, IV Всероссийском конгрессе молодых ученых в 2015 году, V Всероссийском конгрессе молодых ученых в 2016 году, XII международной конференции «Прикладная оптика» в 2016 году, международной конференции SPIE Optical Systems Design 2018 году.

Личный вклад. Постановка задач и выбор вариантов решения осуществлялись совместно автором и научным руководителем. Разработка методов синтеза гибридных покрытий и их изготовление являются результатом самостоятельной работы диссертанта. Экспериментальные исследования образцов проведены автором лично, за исключением измерений спектров рамановского рассеяния, осуществленных сотрудниками НТО АО «ГОИ им. С. И. Вавилова».

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 6 печатных изданиях, 3 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 4 — индексируются в базе данных Scopus, 2 — в тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 117 страниц с 65 рисунками и 32 таблицами. Список литературы содержит 107 наименований.

Глава 1. Аморфные алмазоподобные углеродные пленки

Углерод образует большое разнообразие кристаллических и неупорядоченных структур, потому что способен существовать в трех типах гибридизации: вр3, зр2 и зр1 (рисунок 1.1). В состоянии зр3 гибридизации, как в алмазе, атом углерода находится в центре тетраэдра и связан четырьмя эквивалентными а-связями с другими атомами в вершинах тетраэдра. В тригональной геометрии (зр2 гибридизация), как в графите, атомы углерода образуют три равноценные а-связи в одной плоскости под углом 120° друг к другу. Расположенная перпендикулярно плоскости а-связей р-орбиталь не участвует в гибридизации и образует ^-связи с другими атомами. Диагональная геометрия атома углерода, как в карбине, образуется при смешении одного й- и одного р-электронов (вр гибридизация). Два других р-электрона образуют ^-связи.

зр3 зр2 зр1

Рисунок 1.1 — зр3, зр2 и зр1 типы гибридизации.

Уникальные свойства алмаза обусловлены сильными а-связями (рисунок 1.2). Алмаз имеет широкую запрещенную зону 5,5 эВ, наибольший объемный модуль упругости, наибольшую плотность, наибольшую теплопроводность при комнатной температуре, наименьший коэффициент теплового расширения [8]. Графит имеет сильные а-связи внутри слоя, но слабые силы Ван-дер-Ваальса между ними (рисунок 1.2). Графит хорошо проводит электрический ток, обладает низкой твёрдостью, при трении расслаивается на отдельные чешуйки.

Аморфные алмазоподобные углеродные пленки (ЭЬО) характеризуются ценной комбинацией свойств, подобно алмазу, такими как прозрачность в инфракрасной области спектра, высокая механическая твердость, низкий коэффициент трения и химическая инертность. Данные уникальные свойства до-

стигаются в изотропной неупорядоченной тонкой пленке без границ зерен при существенно меньшей стоимости производства, чем у алмаза (рисунок 1.2).

ЭЬС покрытия в настоящее время используются в автомобильной промышленности, при изготовлении бритв и биомедицинских изделий, тонкопленочных сенсоров, просветляющих оптических покрытий и пр. [9]

Рисунок 1.2 — Схемы строения различных модификаций углерода. а: алмаз, Ь: графит, с: лонсдейлит, ^ аморфный углерод, е: углеродная нанотрубка.

Аморфные пленки углерода можно условно разделить на несколько типов [10— 12]:

1. полимероподобные углеродные пленки, характеризующиеся высокой долей атомов углерода в зр"3 валентном состоянии гибридизации (до 60 %) и высоким содержанием водорода (40-50%). Данные пленки обладают большим значением оптической ширины запрещенной зоны (2-4 эВ), низкой твердостью (< 10 ГПа), большим электрическим сопротивлением.

2. алмазоподобные углеродные пленки, характеризующиеся большим количеством С — С зр3 связей, чем у полимероподобных пленок, и содержанием водорода 20-40%. Такие пленки обладают большим электрическим сопротивлением, шириной запрещенной зоны 1-2 эВ, высокой твердостью (20-40 ГПа), высокой химической стойкостью;

3. пленки аморфного гидрогенизированного тетраэдрального углерода (¿а — С : Н), характеризующиеся высокой долей атомов углерода в вр3 валентном состоянии гибридизации (50-90%) и высоким содержанием водорода 20-30%. Данные пленки обладают большей, по отношению к алмазоподобным углеродным пленкам, плотностью, высокой твердостью, высоким значением модуля Юнга (выше 300 ГПа), оптическая ширина запрещенной зоны составляет 1-2,5 эВ;

4. графитоподобные пленки, характеризующиеся преобладанием доли атомов углерода в вр2 валентном состоянии гибридизации и низким содержанием водорода (<20 %). Такие пленки обладают малой шириной запрещенной зоны (менее 1 эВ), низким электрическим сопротивлением, низкими внутренними механическими напряжениями.

На рисунке 1.3 представлена тройная фазовая диаграмма, на которой указаны различные виды углеродных пленок в зависимости от доли связанного водорода и доли атомов углерода в вр3 и вр2 валентном состоянии гибридизации.

Бр3

Рисунок 1.3 — Тройная фазовая диаграмма аморфного углерода [12].

Сравнение свойств разных типов а — С : Н пленок, графита и алмаза приведено в таблице 1.

Таблица 1 — Сравнение свойств а — С : Н пленок, графита и алмаза [9; 11; 13].

Алмаз 1а-С а — С : Н Графит

Структура Кубическая Аморфная Аморфная Гексагональная

Плотность, г/см3 3,51 2,5-3,3 1,5-2,4 2,26

Содержание вр3, % 100 50-90 20-60 0

Твердость, ГПа 100 50-80 10-45 <5

Запрещенная зона, эВ 5,5 1-2,5 1-2 <1

1.1 Способы получения и свойства пленок

Твердые аморфные углеродные пленки впервые (1953 год) были описаны Шмелленмайером в работе [14], посвященной влиянию ионизированного посредством тлеющего разряда ацетилена на поверхность вольфрам-кобальтового сплава. Автор отмечал, что черные и очень твердые аморфные пленки осаждались на катоде, если разрядный ток был не слишком высоким.

Термин «алмазоподобный углерод» был введен Айзенбергом и Чаботом в 1971 году [15]. Ими были получены покрытия методом ионно-плазменного осаждения без дополнительного нагрева деталей. Пучок ионов состоял из ионов углерода и аргона, генерируемых в разрядной системе с использованием графита в качестве электрода. На деталь подавался потенциал смещения, при помощи которого можно было управлять энергией ионов (рисунок 1.4). Осажденные пленки характеризовались оптической прозрачностью в ИК диаппазоен спектра, химической стойкостью и устойчивостью к царапинам. Показатель преломления пленок был равен 2, а их адгезия к элементам, изготовленным из кремния превышала 2000 г/см2. Спенсер с сотрудниками в работе [16], а также Фурузе и др. в работе [17] описали пленки, полученные тем же методом с улучшенными благодаря снижению энергии ионов углерода свойствами.

Рисунок 1.4 — Схема ионного источника [9; 15].

В 1976 году Холланд и Ойя смогли существенно улучшить технологию изготовления [18; 19] за счет использования в своей разработке высокочастотного (13,56 МГц) разряда (рисунок 1.5). Этот метод позволил поддерживать отрицательное смещение на поверхности диэлектрической пленки относительно плазмы и формировать углеродные покрытия как на металлических, так и на диэлектрических элементах. В работе [20] впервые было отмечено, что а — С : Н пленки могут рассматриваться как стойкие просветляющие покрытия для оптических элементов, работающих в инфракрасной области спектра. Показатель преломления изготовленных авторами пленок находился в диапазоне 1,9-2,0 что обеспечивает практически нулевое остаточное отражение для деталей из германия (рисунок 1.6).

Подложка

Электрод

Рисунок 1.5 — Схема ионного источника [9; 18; 19].

--1— ■■ ■■ 1 -■-г -■-1— —,--------, . т 1 ■ г ■

в.-С/0/а.-С

Ое

1 1 1 1 1 » 1 « ■

йй

оГ х х го к

и >

с

о а.

ео

60

40

20

4СВД

экю

ЭОйО

2500

2000

1800

1600 1400

1300

1000

600

600

Волновое число, см"1

Рисунок 1.6 — Энергетический коэффициент пропускания оптического элемента из германия с четвертьволновыми пленками а — С : Н на обеих

поверхностях (Ао = 5 мкм) [20].

Андерсон, Берг и др. (1978 год, [21; 22]) в своих исследованиях также использовали высокочастотный разряд для получения пленок а — С : Н, но сконцентрировали свое внимание на механизме роста пленок. Кроме того, они исследовали различные углеводороды (метан СН4, этан С2Н6, пропан С3Н8, н-бутан С4Н10 и изобутан (СН3)3СН). Пленки полученные при низких скоростях (меньше 2 А/с) оказались более близки к алмазу, чем полученные при высоких скоростях (более 2 А/с). При этом свойства пленок не зависели от выбора исходного углеводорода.

Вейсмантел с коллегами в конце 70-х разработали два новых метода осаждения ЭЬО пленок [23]. В первом методе используется две ионные пушки типа Финкельштейна: первая бомбардирует мишень из углерода ионами аргона для последующего осаждения углерода на поверхности детали, вторая же непосредственно направлена на деталь и обрабатывает ее смесью ионов аргона и метана (рисунок 1.7). Получаемые при этом пленки характеризуются высокой твердостью, оптической прозрачностью и структурой с макроскопическими свойствами алмаза.

Во втором методе углеводородные ионы получались в результате ионизации бензола горячим накальным катодом. Ускорение ионов обеспечивается приложением отрицательного потенциала смещения на подложку (рисунок 1.8). Получаемые пленки характеризуются высокой твердостью, электрической непроводимостью и частичной оптической прозрачностью. Структура описана авторами как смесь нанокристаллических компонентов, содержащих графитоподоб-ные и алмазоподобные элементы [24].

Рисунок 1.7 — Схема ионного источника [9; 23].

Рисунок 1.8 — Схема ионного источника [9; 23].

В 1982 году Балаковым и Коншиной описан метод получения алмазопо-добных углеродных пленок из ацетилен-криптоновой плазмы [25]. В работе использовался оригинальный источник магнетронного типа, который осуществлял ионизацию газовой смеси (рисунок 1.9). Источник ионов состоял из анода, плоского катода и системы постоянных магнитов. Отрицательный потенциал подавался на держатель подложки для экстракции ионов из анодной области. Данные эксперимента авторов показали, что добавление криптона в газовую смесь снижало долю свободного водорода в пленке.

Рисунок 1.9 — Схема магнетронного ионного источника: 1 — графитовый катод, 2 — графитовый кольцевой анод, 3 — подложка, 4 — электрод-держатель подложек, 5 — система кольцевых постоянных магнитов

[25; 26].

Главное преимущество ионных методов осаждения заключается в том, что формирование DLC пленок может происходить из ионного пучка углеводородов со средней энергией ионов менее 300 эВ. Именно воздействие таких ионов на растущую пленку индуцирует образование йр3-гибридизированных связей. Оптимальным условием для формирования качественных DLC пленок является генерация ионного пучка с энергией близкой к 100 эВ на один атом углерода, узким распределением энергии ионов и минимальным содержанием нейтральных углеводородов [12; 27—30]. На рисунке 1.10 для примера представлен график зависимости плотности DLC пленки от средней энергии ионов — хорошо видно, что максимальной плотности соответствует именно значение 100 эВ, при нем же наблюдается и максимальное содержание йр3-гибридизированных связей.

О 100

Энергия на атолл углерода (эВ)

Рисунок 1.10 — Зависимость плотности пленок от энергии ионов на атом углерода для а — С : Н пленок, полученных ионно-плазменным методом, и для а — С пленок, полученных из ионного источника с фильтрацией ионов [27].

Помимо рассмотренных выше ионных источников широкое распространение получили также ускорители ионов с замкнутым дрейфом электронов в анодном слое (рисунок 1.11) [4; 31; 32]. Принцип работы источника ионов основан на формировании газового разряда в скрещенных электрическом и магнитном полях над поверхностью анода. Рабочий газ подается в область разряда так, что между ней и объемом вакуумной камеры создается градиент давлений. Положительные ионы, образовавшиеся в разрядном промежутке, выталкиваются из него электрическим полем анода. Минимальная средняя энергия ионов зависит от конкретной реализации источника и примерно равна 150-250 эВ.

Рисунок 1.11

Схема ускорители ионов с замкнутым дрейфом электронов в анодном слое.

Ограниченное применение в лабораториях и промышленности находит метод вакуумно-дугового формирования ЭЬС покрытий [28; 33; 34]. Типовая схема вакуумно-дугового испарителя представлена на рисунке 1.12. Зажигание дуги осуществляется в высоком вакууме при помощи поджигающего устройства из углерода, которое кратковременно замыкает цепь между катодом (мишенью из углерода) и анодом. Далее на поверхности мишени формируются эмиссионные зоны, в которых концентрируется вся мощность разряда, что вызывает нагрев, интенсивное испарение и ионизацию углерода. В процессе взрывной эмиссии помимо плазмы разлетаются и частицы материала, что является нежелательным процессом. Частицы могут быть отфильтрованы тороидальным магнитным фильтром, как это показано на рисунке 1.12. На выходе из испарителя средняя энергия ионов составляет 10-30 эВ в зависимости от тока дуги, распределение энергии ионов Гауссово [28]. Энергия ионов может быть увеличена путем приложения потенциала смещения к подложке или ее держателю [34].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Баранов, Александр Николаевич, 2018 год

Список литературы

1. ОСТ 3-1901-95 - Покрытия оптических деталей. Классификация, обозначения, общие технические требования и методы контроля. — М. : ВНИ-ИМС, 1995. — 166 с.

2. Справочник технолога-оптика / под ред. М. Окатов. — Политехник. — СПб, 2004. — С. 680.

3. Degel M., Gittler E. Multispectral Optical Coatings Are Tough, Versatile for IR Applications // Photonics spectra. — 2013. — Vol. 47, no. 3. — P. 56.

4. Гибридное просветляющее покрытие с алмазоподобным слоем / И. Гай-нутдинов [и др.] // Оптический журнал. — 2015. — Т. 82, № 1. — С. 70— 73.

5. Design and fabrication of ultra broadband infrared antireflection hard coatings on ZnSe in the range from 2 to 16 дш / Y. Pan [et al.] // Infrared Physics and Technology. — 2009. — Vol. 52, no. 5. — Pp. 193-195.

6. Diamond-like carbon films in multilayered interference coatings for IR optical elements // Diamond and Related Materials. — 2001. — Vol. 10, no. 9-10. — Pp. 1846-1849.

7. Infrared durable protective/antireflection coatings with high performance on Ge and Si substrates / X. Yao [et al.] // Proc. SPIE 6149. — 2006. — P. 614908.

8. Angus J. C., Hayman C. C. Low-Pressure, Metastable Growth of Diamond and "Diamondlike" Phases // Science. — 1988. — Vol. 241, no. 4868. — Pp. 913-921.

9. Bewilogua K., Hofmann D. History of diamond-like carbon films — From first experiments to worldwide applications // Surface and Coatings Technology. — 2014. — Vol. 242. — Pp. 214-225.

10. Тарала В. А. Физические принципы осаждения из газовой фазы аморфных, нанокристаллических и микрокристаллических пленок алмазоподоб-ного углерода и карбида кремния: дис. на соискание ученой степени канд. ф.-м. наук: 01.04.07. — Ростов-на-Дону, 2013. — 330 с.

11. Robertson J. Mechanical properties and coordinations of amorphous carbons // Physical Review Letters. — 1992. — Vol. 68, no. 2. — Pp. 220223.

12. Robertson J. Diamond-like amorphous carbon // Materials Science and Engineering: R: Reports. — Vol. 37, no. 4-6. — Pp. 129-281.

13. Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman spectroscopy / C. Casiraghi [et al.] // Diamond and Related Materials. — 2005. — Vol. 14, no. 3-7. — Pp. 1098-1102.

14. Schmellenmeier H. // Exp. Tech. Phys. — 1953. — No. 1. — Pp. 49-68.

15. Aisenberg S., Chabot R. Ion-Beam Deposition of Thin Films of Diamondlike Carbon // Journal of Applied Physics. — 1971. — Vol. 42, no. 7. — Pp. 2953-2958.

16. Ion-beam-deposited polycrystalline diamondlike films / E. G. Spencer [et al.] // Applied Physics Letters. — 1976. — Vol. 29, no. 2. — Pp. 118-120.

17. T.F. // Appl. Phys. Lett. — 1978. — Vol. 33. — P. 317.

18. Holland L., Ojha S. Deposition of hard and insulating carbonaceous films on an r.f. target in a butane plasma // Thin Solid Films. — 1976. — Vol. 38, no. 2. — Pp. L17-L19.

19. Holland L. Some characteristics and uses of low-pressure plasmas in materials science // Journal of Vacuum Science and Technology. — 1977. — Vol. 14, no. 1. — Pp. 5-15.

20. Holland L., Ojha S. M. The growth of carbon films with random atomic structure from ion impact damage in a hydrocarbon plasma // Thin Solid Films. — 1979. — Vol. 58, no. 1. — Pp. 107-116.

21. Andersson L., Berg S. Initial etching in an rf butane plasma // Vacuum. — 1978. — Vol. 28, no. 10-11. — Pp. 449-451.

22. Properties and coating rates of diamond-like carbon films produced by R.F. glow discharge of hydrocarbon gases / L. Andersson [et al.] // Thin Solid Films. — 1979. — Vol. 63, no. 1. — Pp. 155-160.

23. Preparation of hard coatings by ion beam methods / C. Weissmantel [et al.] // Thin Solid Films. — 1979. — Vol. 63, no. 2. — Pp. 315-325.

24. Structure and properties of transparent and hard carbon films / K. Bewil-ogua [et al.] // Surface Science. — 1979. — Vol. 86. — Pp. 308-313.

25. Балаков А., Коншина Е. // ЖТФ. — 1982. — Т. 52. — С. 81.

26. Балаков А., Коншина Е. Способы получения и свойства углеродных ал-мазоподобных пленок // ОМП. — 1982. — № 9. — С. 52—59.

27. Highly tetrahedral, diamond-like amorphous hydrogenated carbon prepared from a plasma beam source / M. Weiler [et al.] // Applied Physics Letters. — 1994. — Vol. 64, no. 21. — Pp. 2797-2799.

28. Influence of ion energy and substrate temperature on the optical and electronic properties of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) films / M. Chhowalla [et al.] // Journal of Applied Physics. — 1997. — Vol. 81, no. 1. — Pp. 139-145.

29. Structure and optical properties of amorphous diamond films prepared by ArF laser ablation as a function of carbon ion kinetic energy / V. I. Merkulov [et al.] // Applied Physics Letters. — 1998. — Vol. 73, no. 18. — Pp. 2591-2593.

30. Preparation and properties of highly tetrahedral hydrogenated amorphous carbon / M. Weiler [et al.] // Physical Review B. — 1996. — Vol. 53, no. 3. — Pp. 1594-1608.

31. Industrial ion sources and their application for DLC coating / A. Shabalin [et al.] // SVC - 42nd Annual Technical Conference Proceedings. — 1991.

32. Соловье А. А. Устройства со скрещенными электрическим и магнитным полями для нанесения тонкопленочных покрытий на подложки большой площади: дис. канд. техн. наук: 05.27.02. — Томск, 2007. — 212 с.

33. Brown I. G. Cathodic Arc Deposition of Films // Annual Review of Materials Science. — 1998. — Vol. 28, no. 1. — Pp. 243-269.

34. Properties of filtered-ion-beam-deposited diamondlike carbon as a function of ion energy / P. J. Fallon [et al.] // Physical Review B. — 1993. — Vol. 48, no. 7. — Pp. 4777-4782.

35. Voevodin A. A., Donley M. S. Preparation of amorphous diamond-like carbon by pulsed laser deposition: A critical review // Surface and Coatings Technology. — 1996. — Vol. 82, no. 3. — Pp. 199-213.

36. Lieberman M. A., Lichtenberg A. J. Principles of Plasma Discharges and Materials Processing. — Second. — Hoboken : John Wiley & Sons, Inc., 2005. — P. 800. — ISBN 978-0-471-72001-0.

37. Коншина Е. А. Осаждение пленок a-C:H в тлеющем разряде на постоянном токе с областью магнетронной плазмы, локализованной вблизи анода // ЖТФ. — 2002. — Т. 72, № 6. — С. 35—40.

38. Quantification of a radical beam source for methyl radicals / T. Schwarz-Selinger [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 2001. — Vol. 19, no. 1. — Pp. 101-107.

39. Kaufman H. R., Robinson R. S., Seddon R. I. End-Hall ion source // Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films. — 1987. — Vol. 5, no. 4. — Pp. 2081-2084.

40. Kaufman H. R., Cuomo J., Rossnagel S. Handbook of Ion Beam Processing Technology. — Park Ridge, NY : Noyes Publications, 1989.

41. Willey R. R. Practical Production of Optical Thin Films. — Second. — Charlevoix : Willey Optical, Consultants, 2012. — P. 609.

42. Temperature dependence of formation of highly tetrahedral a-C:H / S. Sattel [et al.] // Diamond and Related Materials. — 1996. — Vol. 5. — Pp. 425-428.

43. Pan Y. Q., Yin Y. Diamond-like carbon films with End-Hall ion source enhanced chemical vapour deposition // Diamond and Related Materials. — 2007. — Vol. 16, no. 2. — Pp. 220-224.

44. Characterization of hydrogenated amorphous carbon thin films by end-Hall ion beam deposition / Y. Tang [et al.] // Applied Surface Science. — 2011. — Vol. 257. — Pp. 4699-4705.

45. Баранов А. Н., Михайлов А. В. Оптические и эксплуатационные характеристики алмазоподобных пленок, осажденных из ионного пучка источника эффектом Холла // Оптический журнал. — 2018. — Т. 85, № 3. — С. 69—71.

46. Шаганов И. Определение оптических констант слабопоглощающих диэлектрических слоев на прозрачной подложке // ОМП. — 1988. — № 8. — С. 39—41.

47. Коншина Е. А. Поглощение и ширина оптической щели пленок a-C:H, полученных из ацетиленовой плазмы // ФТП. — 1999. — Т. 33, № 4. — С. 469—475.

48. Ferrari A. C., Robertson J. Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon // Phys. Rev. B. — 2000. — Vol. 61, no. 20. — Pp. 95-107.

49. Mechanical properties of diamond-like carbon composite thin films prepared by pulsed laser deposition / Q. Wei [et al.] // Composites Part B: Engineering. — 1999. — Vol. 30, no. 7. — Pp. 675-684.

50. Determination of elastic modulus and Poisson's ratio of diamond-like carbon films / S.-J. Cho [et al.] // Thin Solid Films. — 1999. — Vol. 341, no. 12. — Pp. 207-210.

51. Savvides N., Bell T. Hardness and elastic modulus of diamond and diamond-like carbon films // Thin Solid Films. — 1993. — Vol. 228, no. 1-2. — Pp. 289-292.

52. Усеинов А., Гоголинский К. Механические свойства сверхтонких углеродных алмазоподобных покрытий // Наноиндустрия. — 2010. — № 5. — С. 54—56.

53. Thermal expansion coefficient of hydrogenated amorphous carbon // Applied Physics Letters. — 2003. — Vol. 83, no. 15. — Pp. 3099-3101.

54. McSkimin H. J., Andreatch P. Elastic Moduli of Diamond as a Function of Pressure and Temperature // Journal of Applied Physics. — 1972. — Vol. 43, no. 7. — Pp. 2944-2948.

55. Wortman J. J., Evans R. A. Young's Modulus, Shear Modulus, and Pois-son's Ratio in Silicon and Germanium // Journal of Applied Physics. — 1965. — Vol. 36, no. 1. — Pp. 153-156.

56. Harris D. C. Thermal, structural, and optical properties of Cleartran® multispectral zinc sulfide // Optical Engineering. — 2008. — Vol. 47, no. 11. — P. 114001.

57. Thermophysical Properties of Matter - the TPRC Data Series. Volume 12. Thermal Expansion Metallic Elements and Alloys / Y. S. Touloukian [et al.]. — New York : Plenum Publishing, 1975. — P. 1439.

58. Pickrell D. J., Kline K. A., Taylor R. E. Thermal expansion of polycrys-talline diamond produced by chemical vapor deposition // Applied Physics Letters. — 1994. — Vol. 64, no. 18. — Pp. 2353-2355.

59. Novikova S. I. // Sov. Phys. Solid State. — 1960. — Vol. 2, no. 1. — Pp. 37-38.

60. Okada Y, Tokumaru Y. Precise determination of lattice parameter and thermal expansion coefficient of silicon between 300 and 1500 K // Journal of Applied Physics. — 1984. — Vol. 56, no. 2. — Pp. 314-320.

61. Roberts R., White G., Sabine T. Thermal Expansion of Zinc Sulfide: 3001300 K // Australian Journal of Physics. — 1981. — Vol. 34, no. 6. — P. 701.

62. Su C. H., Feth S., Lehoczky S. L. Thermal expansion coefficient of ZnSe crystal between 17 and 1080 C by interferometry // Materials Letters. — 2009. — Vol. 63, no. 17. — Pp. 1475-1477.

63. The Use of Intermediate Layers to Improve the Adherence of Diamondlike Carbon Films on ZnS and ZnSe / M. J. Mirtich [et al.] // Journal of Vacuum Science & Technology A. — 1986. — Vol. 4, no. 6. — Pp. 2680-2681.

64. Tossell D. A., Costello M. C., Brierley C. J. Diamond layers for the protection of infrared windows // Proc. SPIE 1760. — 1992. — Pp. 268278.

65. Diamond coatings for IR window applications / A. Miller [et al.] // Diamond and Related Materials. — 1997. — Vol. 6, no. 2-4. — Pp. 386-389.

66. Amorphous hydrogenated carbon films on semiconductors. I. Electronic Properties of the Interface / D. Ugolini [et al.] // Applied Physics A Solids and Surfaces. — 1989. — Vol. 48, no. 6. — Pp. 549-558.

67. Amorphous hydrogenated carbon films on semiconductors. II. Microstructural Properties of the Interface / M. Wittmer [et al.] // Applied Physics A Solids and Surfaces. — 1989. — Vol. 48, no. 6. — Pp. 559-566.

68. Interfacial characterization of ion-beam-deposited a -C films on Ge / T. Bruce [et al.] // Journal of Applied Physics. — 1994. — Vol. 76, no. 1. — Pp. 552-557.

69. Бесценный С., Мамонова М. Адгезия алмазоподобных покрытий // Вестник Омского университета. — 2008. — № 3. — С. 15—18.

70. Macleod H. Thin-Film Optical Filters, Fourth Edition. — Boca Raton, FL : CRC Press, 2010. — P. 800.

71. Malitson I. H. Refractive Properties of Barium Fluoride // Journal of the Optical Society of America. — 1964. — Vol. 54, no. 5. — P. 628.

72. Cox J., Hass G. Antireflection Coatings for Germanium and Silicon in the Infrared // Journal of the Optical Society of America. — 1958. — Vol. 48. — Pp. 677-680.

73. Кокс Д. Т., Хасс Г. Просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной областей спектра // Физика тонких пленок. Том 2. — М. : Мир, 1967. — С. 186—253.

74. Путилин Э. Оптические покрытия. Учебное пособие. — СПб : СПбГУ ИТМО, 2010. — С. 227.

75. Тай Д. Т. Многозонные просветляющие покрытия: дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.11.07. — Санкт-Петербург, 2015. — 148 с.

76. Antireflection coatings for both visible and far-infrared spectral regions / L. Li [et al.] // Applied Optics. — 1992. — Vol. 31, no. 28. — Pp. 6150-6156.

77. Фурман Ш. Тонкослойные оптические покрытия. — Л. : Машиностроение, 1977. — С. 264.

78. Mouchart J. Thin film optical coatings 5: Buffer layer theory // Applied Optics. — 1978. — Vol. 17, no. 1. — Pp. 72-75.

79. Buffer layers for the design of broadband optical filters. // Applied optics. — 1995. — Vol. 34, no. 25. — Pp. 5665-5672.

80. Кокс Д. Т., Хасс Г. Просветляющие покрытия для видимой и инфракрасной областей спектра // Физика тонких пленок / под ред. Г. Хаас, Р. Тун. — Москва : Мир, 1967. — Гл. 2. С. 396.

81. Многоспектральные просветляющие покрытия для видимой, ближней ИК и ИК областей спектра / Р. Соколова [и др.] // Оптический журнал. — 2005. — Т. 72, № 10. — С. 60—62.

82. Соколова Р., Пашкова Н. Многоспектральные просветляющие покрытия для ИК области // Оптический журнал. — 2002. — Т. 69, № 2. — С. 25—27.

83. Antireflection coating on germanium for dual channel (3-5 and 7.5-10.6 дш) thermal imagers / A. Ghosh [et al.] // Infrared Physics & Technology. — 1999. — Vol. 40, no. 1. — Pp. 49-53.

84. Sankur H., Southwell W. H. Broadband gradient-index antireflection coating for ZnSe // Applied Optics. — 1984. — Vol. 23, no. 16. — Pp. 27702773.

85. Cole C., Bowen J. W. Synthesis of broadband anti-reflection coatings for spaceflight infrared optics // Space Optics 1994: Space Instrumentation and Spacecraft Optics. Vol. 2210. — 1994. — Pp. 506-515.

86. Multi-spectral antireflection coating on zinc sulphide simultaneously effective in visible, eye safe laser wave length and MWIR region / S. Awasthi [et al.] // Infrared Physics & Technology. — 2012. — Vol. 55, no. 5. — Pp. 395-398.

87. Каряев К., Путилин Э. Синтез широкополосных просветляющих покрытий // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. — 2006. — № 34. — С. 239—246.

88. Epstein L. I. The Design of Optical Filters // Journal of the Optical Society of America. — 1952. — Vol. 42, no. 11. — P. 806.

89. Schallenberg U. B. Antireflection design concepts with equivalent layers // Applied Optics. — 2006. — Vol. 45, no. 7. — P. 1507.

90. Dobrowolski J., Ho F. High performance step-down AR coatings for high refractive-index IR materials // Applied Optics. — 1982. — Vol. 21, no. 2. — P. 288.

91. Schallenberg U. Design principles for broadband AR coatings // Advances in Optical Thin Films. Vol. 7101. — 2008. — Pp. 710103-1 - 710103-8.

92. Baranov A.N., Gubanova L. A. Design and fabrication of broadband infrared durable antireflection coatings on Ge // Proc. SPIE 10691, Advances in Optical Thin Films VI. — 2018. — 106911Q.

93. Martin F., Waibel F. Coating Materials // Optical Interference Coatings / ed. by K. Norbert, H. Pulker. — Springer Berlin Heidelberg, 2003. — Pp. 105-130. — ISBN 9781557528919.

94. ГОСТ 13867-68 - Продукты химические. Обозначение чистоты. — Введ. 01.01.69. — М. : Государственный комитет СССР по стандартам, 1989. — 7 с.

95. Оптические и эксплуатационные характеристики пленок фторидов и оксидов, полученных испарением в вакууме / А. Н. Баранов [и др.] // Оптический журнал. — 2016. — Т. 83, № 9. — С. 72—77.

96. Риттер Э. Пленочные диэлектрические материалы для оптических применений // Физика тонких пленок. Т. 8 / под ред. Г. Хасса, М. Франкомба, Р. Гофмана. — М. : Мир, 1978. — С. 7—60.

97. Kemeny P. C. Refractive index of thin films of barium fluoride // Applied Optics. — 1982. — Vol. 21, no. 11. — P. 2052.

98. SchUrmann M., Stockl W., Kaiser N. Metal layer beamsplitters with one dielectric achromatisation layer // Advances in Optical Thin Films III. — 2008. — 71011J.

99. SchUrmann M., Kaiser N. Altes und Neues über Dünnschicht Strahlteiler // Vakuum in Forschung und Praxis. — 2008. — Vol. 20, no. 4. — Pp. 29-33.

100. Rakic A. D. Algorithm for the determination of intrinsic optical constants of metal films: application to aluminum // Applied Optics. — 1995. — Vol. 34, no. 22. — P. 4755.

101. Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices / A. D. Rakic [et al.] // Applied Optics. — 1998. — Vol. 37, no. 22. — P. 5271.

102. Optical dielectric function of silver / H. U. Yang [et al.] // Physical Review B. — 2015. — Vol. 91, no. 23. — P. 235137.

103. Infrared optical filters for the Infrared Atmospheric Sounding Interferometer meteorological space instrument / F. Lemarquis [et al.] // Applied Optics. — 1999. — Vol. 38, no. 19. — P. 4182.

104. Pellicori S. F. Beam splitter and reflection reducing coatings on ZnSe for 3-14 ^m // Applied Optics. — 1979. — Vol. 18, no. 12. — Pp. 1966-1968.

105. Synthesizing beamsplitter coatings / E. N. Kotlikov [et al.] // Journal of Optical Technology. — 2001. — Vol. 68, no. 8. — P. 580.

106. Баранов А. Н., Михайлов А. В. Гибридные светоделительные покрытия с алмазоподобным слоем на селениде цинка // Оптический журнал. — 2018. — Т. 85, № 10. — С. 70—73.

107. Study of optical constants of PbTe and GeTe films / E. N. Kotlikov [et al.] // Optics and Spectroscopy. — 2000. — Vol. 88, no. 5. — Pp. 718720.