宽波段的类金刚石薄膜光学窗口
强激光与粒子束$%&’!"!(%’!#! !第!"卷!第!#期
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宽波段的类金刚石薄膜光学窗口"
白!婷!!刘晶儒!!叶景峰!!王!晟!!叶锡生
"西北核技术研究所!西安B!##)>#
!!摘!要!!介绍了实用化宽波段光学镀膜窗口的研制过程!研制的光学窗口实现了从可见至远红外波段使
用同一光学器件工作的目标!主要波段透过率在B#C以上$该产品膜层均匀性优于@A C!可以抵抗潮热%温度
变化等恶劣环境!可耐受高功率的红外激光辐射!通过了-D9)>"A&@A’光学膜层通用规范(和E)4F)##"B&
)##?’宽波段军用光学镀膜窗口规范(的标准检测$
!!关键词!!宽波段光学窗口*!类金刚石薄膜*!脉冲激光淀积*!均匀性
!!中图分类号!!7()>@!!!!文献标识码!!4
!!在海面%空间等野外应用环境中!光学窗口不仅应有良好的光学特性!而且还应具备高硬度%耐腐蚀%耐冲击等特性$常用的红外窗口材料G H5!G H5I等质地相对较软+!,!-J4K!-I等存在光谱范围窄%光学透过率低和耐热冲击性能差等缺点+),!因此!需要研制一种在较宽光谱范围内光学透过率较高%环境耐受性良好和化学性能稳定的实用化光学窗口$本文利用脉冲准分子激光烧蚀石墨靶在G H5衬底材料上沉积了实用化的类金刚石薄膜窗口!并对其性能进行了详细分析$
!!设计原理
!!光学材料的透射范围由材料本身结构及性质所决定!是材料的固有性质$G H5和G H5I是光学性能优良的窗口材料!但其热力学性能相对较差!难以抵御外界恶劣的自然条件特别是大气中游离砂尘和冰雹等固体粒子以及雨滴的冲击损伤$此外!这两种材料的抗热冲击性能差!遇到高速运动的气流摩擦时窗口的信噪比会降低!需要在表面镀制保护膜以改善其热力学性能$
!!类金刚石"6L J M%H N3L O I8J P Q%H!638#薄膜具有与金刚石薄膜类似的物理%化学%机械性能!即较高的硬度%耐冲击%耐辐射%耐磨%耐腐蚀%化学性能稳定!而且从可见至远红外几乎全波段光学透明+?,$
!!脉冲准分子激光烧蚀淀积".36#法制备无氢类金刚石"+F=638#膜的激光阈值低%成膜质量好+>,!其基本原理是-利用高功率的脉冲激光辐照靶材使之蒸发并形成等离子体!等离子体沿靶面法线方向向前喷射在基片表面淀积成膜$该方法淀积638薄膜可以在常温下进行$本工作采用准分子脉冲激光烧蚀沉积技术!在已有宽波段透过的G H5上镀+F=638保护膜!在保证其原有光学性能不受影响的前提下提高整个窗口的耐冲击%耐高温%耐辐射和抗沙粒%盐雾和尘埃的磨损能力$图!是通过理论模拟得到的薄膜不同折射率时的+F= 638)G H5窗口透射比曲线$
F L R’!!8J&;S&J
G H5U L&M
图!!638)G H5理论计算光谱
"收稿日期!)##*=#*=!A*!!修订日期!)##*=#@=!A
基金项目!国家"*?计划项目资助课题
作者简介!白!婷"!@B>&#!助理研究员!硕士!现主要从事准分子激光应用方向的研究工作*@?Q J L !!实验技术研究 !"#!实验装置 !"#$%!&’()*+,"’-"+#.+*/0,()-)1/2","/324 2,)*图%!脉冲激光沉积薄膜实验系统 !!准分子脉冲激光烧蚀淀积5! 6789薄膜实验系统如图%所示!主要由真空室和激光器两部分组成"真空室为! :;’*<:;’*的不锈钢容器!极限真空可达=<>;?@A +#衬底支架是程控%维$!"#%平动旋转基片台!平动范围为B :;**! 并且可以绕其自身轴线旋转"激光器是由德国8CD E 7CA 5F &G H 公司生产的9ID A )J >;%准分子激光器!工作波长%:K3*!最大输出脉冲能量%;;*L !束散角;$%*.+-!脉冲宽度%@32"激光束经焦距:;;**的透镜聚焦后!以:@M 入射角辐照在旋转的靶表面"!!利用该装置开展N 3&基底淀积类金刚石薄膜实验研究获得的最佳工艺条件为&基底温度为室温!辅助偏压为?@;;O !功率密度为;$K ">$;PQ ’’*% !淀积距离为@’*#淀积时间为:;*"3!沉积粒子成份主要为小质量的高能碳离子" !"!!提高$%&薄膜结合力的技术 !!N 3&属多晶立方体结构!室温下热膨胀系数为R $><>;?=’S (@) !而789为非晶态结构!属于无定形碳!碳原子与另外>":个碳原子以共价键结合!在空间形成T 维交叉碳原子环网络!每个原子还因范德瓦耳斯力与 较远的原子发生作用(=) "789膜中的化学键主要是21T 键$金刚石键%和21%键$石墨键%"一般认为!21T 键含 量越高!膜层就越坚硬致密!在宏观性质上就更类似于金刚石"789薄膜热膨胀系数较低!一般和具有金刚石结构的衬底材料结合力良好"目前采用9O 7工艺在N 3&等基底上直接沉积结合良好的789薄膜还存在困难" !!A 87法制备789薄膜的机理研究表明!激光等离子体离子平均能量是决定薄膜结构性能的首要因素!离子能量越高!薄膜类金刚石性能越好$最佳值在@;;)O 左右% !而且真正对类金刚石结构有利的离子成份是9U ! 9等质量小的碳粒子(R ) "进一步实验表明!这部分质量小的高能碳离子主要集中在等离子体区的中心轴线附近!而未经离化的低能量碳粒子主要分布在等离子体周边区域" !!实验中通过对高能小质量碳离子的定向选择!我们在N 3&衬底上沉积了789薄膜!并通过V +*+3谱进一步对其结构成分进行了分析"测试结果如图T 所示&等离子体不加选择全部沉积的薄膜V +*+3谱中7峰和P 峰的位置分别在>T ;:’*?>和>@K K ’*?>!而选择小质量高能粒子沉积的薄膜的V +*+3谱中主特征P 峰更加突出且宽度变窄!峰位也向小波数方向移动了%;":;’*?>!根据我们前期对纳秒激光和飞秒激光沉积789 薄膜不同结构的研究结果!这些都表明了789结构中21T 键含量的增加!因而可与N 3&基底形成更为牢固的结合( R ) "!"#$T !V +*+321)’,.W *2/07890"X *Y ",(-"00).)3,’/*1 /3)3,图T !不同结构成分的V +*+3谱 !!实验研究了对整个等离子区域附加;"?R ;;O 不同偏压对薄膜结合力的影响"结果表明一定的负偏压对等离子体羽中的粒子流存在加速作用!有利于提高结合力!最佳值在?@;;O 左右"但单纯依靠偏压技术并不能提供给粒子流足够的能量!形成牢固的过渡层"通过在实验过程中对基底加热!研究了从%@">;;S 不同温度下薄膜的沉积情况!结果显示基底加温并不能改进789薄膜的结合力和抗高温性能! 相反对薄膜的光学; T =>强激光与粒子束 第>K 卷 性能还有不利影响!最佳沉积温度是%T S ! !!以上结果显示"在A 87工艺中#通过对等离子体粒子流的选择沉积和辅助偏压以及室温沉积技术#可以有效地解决789薄膜与N 3&基底附着力差的难题!!"’!提高大尺寸$%&薄膜均匀性技术 !!脉冲激光沉积技术方法淀积薄膜时# 激光熔化物的绝热膨胀导致等离子体羽分布角度窄#不利于大面积均匀成膜!采用基片%维平动方式能够在一定程度上改善大面积薄膜的均匀性$:% #但受真空镀膜室限制平动范 围有限#得到的薄膜厚度均匀性不是十分理想&实验测试!@>**范围内约为K K Z ’#而且再增大均匀薄膜尺寸也比较困难! !!离轴基片台旋转的实验方式是利用等离子体羽粒子含量自其轴线向外逐渐减少的余旋规律#将旋转的基片台置于粒子束区域内#且使其中心位置偏离粒子束中心轴线距离#如图:示!适当调节基片与靶材之间的距离#使基片以一定的角速度旋转#则能够实现沉积薄膜在一定范围内的厚度均匀分布!离轴基片旋转法实验中需事先对靶和基片间距(基片离轴距离等实验参数进行模拟计算#选择最佳位置参数!图@为理论模拟得到的薄膜厚度分布和实验中实际测量曲线#在!@>**范围内均匀性优于[R Z !在目前的设备条件下#利用该方法最大可以在!K ;**的范围内得到厚度均匀性优于[@Z 的薄膜! !"#$:!D ),(/-/0/006+J "2./,+,"3# 62W \2,.+,)图:!离轴基片台旋转法 !"#$@!]3"0/.*",4/00"X *,("’^3)22图@!薄膜厚度均匀性计算和测试结果对比表#!不同实验方式沉积速率测量结果比较 ()*+,#!&-./0)1/-23,4-15/5-.0)/,165/73522,0,./,84 ,059,./9,/7-31*/-) ,("30"X *Y )"# (,)*#*/_)/31X +3);$@T =/006+J "2./,+,) ;$=@= !!离轴旋转法不仅提高了薄膜的均匀性# 而且还提高了等离子体的利用率!实验结果表明离轴基片旋转法的薄膜沉积率要比基片平动高出约%;Z & 见表>’!’!性能测试 !!N 3&基底为无色透明晶体#镀制789薄膜以后呈现淡灰色!利用显微硬度计测量得到薄膜与基底的复合硬 度#再利用有限元模型计算分离得到5!6789薄膜的本征硬度为%KP A +左右! !!光谱曲线采用]O 6T >;>A 9型可见至近红外分光光度计和DC P C ‘R @;傅里叶红外光谱仪测量#光谱范围为;$@T ">%$;;#*#其中T $;">;$;#*主要波段透射率均达到R %Z 以上& 图=’!!!此外# 根据P L E %:K @*[@+光学膜层通用规范,和a )C !%;;K R *%;;T +宽波段军用光学镀膜窗口规范,#对其环境适应性进行了检验&表%’!在本文检测条件下#检测结果均完好! !"#$=!b .+32*"22"/321 )’,.W *2/0789)N 3&Y "3-/Y 图=!789)N 3&窗口样品透射率测试曲线 > T =>第>;期白!婷等"宽波段的类金刚石薄膜光学窗口 表!!环境适应性能检测()*+,!!:.;50-.9,./)+/,1/5.< ",)*,)2,’/3-","/3 .)2W X ,-+*1.)2"2,+3’)+,("#(,)*1).+,W .),)*1).+,W .)!@;SB %S "(W *"-",4![@Z ">;;Z "^))1"3#% :(.)*+"323/.*+X ,)*1 ).+,W .)2(/’^.)2"2,+3’) X /Y,)*1 ).+,W .)!?:@S "^))1"3#%(("#(,)*1).+,W .)!K ;S "^))1"3#%( .)*+"323/.*+X \/3-"3#1 /Y ).!1))X /00"3,)32",43/,X )22,(+3%$R :‘#’*Y ",("3%’*Y "-,($,)+./32+*)+.)+0/.>;,"*)2\4+-()2"_),+1 )$.)*+"323/.*+X .W \c W +X ",4 !.W \\+’^+3-0/.,(0/.>;;,"*)2"3:$[‘1.)22\4-)# .)+2)’X /,(.)*+"323/.*+X \/3-"3#1 /Y ).2/X W \"X ",4.)2"2,+3’)!.//*6,)*1).+,W .)"-"1"3’(X /./),(4X )3)$+’),/3)+3-+\2/X W ,)+X ’/(/X 0/.>;*"3W ,)22)1+.+,)X 4 $.)*+"323/.*+X 2+X ,2/X W \"X ",4!.//*6,)*1).+,W .)"-"1 "3:$@Z ‘+9X 2/X W ,"/30/.%:(.)*+"323/.*+X Y +,).2/X W \"X ",4!.//*6,)*1).+,W .)"-"1 "3-"22,"X X )-Y +,).0/.%:(.)*+"323/.*+X !!依照光学表面#薄膜的激光损伤实验标准% G &I >>%@:&"对窗口的抗激光损伤性能进行了实验研究’实验中损伤激光源分别为连续>$T ">;$=#*波长激光"激光作用方式采用>6/36>方式"通过5)6‘)散射光强度判别法和等离子体闪光判别法进行损伤判别"损伤阈值的定义采用零几率的定义方式’实验结果在表T 中列出%受激光器输出功率限制"部分实验无法使窗口产生损伤"此时给出的数据为实验中的激光的最大功率密度&’ 表’!激光损伤实验结果 ()*+,’!=,1>+/-2+)1,05.3>?,33)9)< ,/-$%&!@.A ‘/$X +2). 0+’W X +-"+*),).#**X +2).-W .+,"/3#2 1 ()3/*)3/3-+*+#),(.)2(/X -/0d )./1./\+\"X ",4# %Q (’*?%&>>$T #*9Q ‘-!F C P ;$T T T ;.)*+"323/.*+X "@$;<>;: %%$R #*9Q 5!;$>;>;.)*+"323/.*+X "=$;<>;@T >;$=#*9Q 9I % ;$:R T ; .)*+"323/.*+X ":$ ;<>;:B !结!论 !!本工作基于A 87法沉积789薄膜技术"研制的宽波段光学窗口实现了从可见至远红外波段使用同一光学器件工作的目标"主波段透射率在R ;Z 以上"膜层均匀性优于[@Z "可抵抗潮热$温度变化等恶劣环境"可耐受高功率的红外激光辐射’但还存在一些不足"比如现有的镀膜设备尚不能实现薄膜厚度的实时监测和薄膜折射率的调控等"需在今后加以改进"以实现对薄膜厚度和折射率的精确控制"进一步提高宽波段窗口光学性能’参考文献" )>*!董连和"王也$用于红外窗口的789薄膜)L *$长春光学精密机械学院学报">[[K "!#%%&!:>6::$%7/3#85"Q +3#F$ 7890"X *0/."30.+6.)-Y "3-/Y 2$$%&’()*&+(,(-./0 .’(123(454*&">[[K "!#%%&!:>6::&)%*!孙亦宁"郭晚土"李敬起"等$金刚石膜在宇航应用中的新进展) L *$中国空间科学技术">[[R "%T &!%R 6T K $%&W 3F ‘"P W /Q b "8"La "),+X $‘)Y 1./#.)22/0-"+*/3-0"X *2"3+)./21+’)+11X "’+,"/3$%&3(4-460’*46*34(*4’(174*&(898)#">[[R "%T &!%R 6T K &)T *!e "/3#!8"Q +3#F F$A W X 2)-X +2).-)1/2","/3/0+*/.1 (/W 2-"+*/3-6X "^)’+.\/30"X *2)L *$$5’.4:;4-">[[T "#C !%%=@6%%R %$):*!李铁军"刘晶儒"王丽戈"等$利用脉冲激基分子激光制备大尺寸类金刚石薄膜及其均匀性分析) L *$光子学报">[[["!C %>%&!>;K ;6>;K @$%8"bL "8"WLV "Q +3#8P "),+X $A W X 2)-X +2).-)1/2","/3/07890"X *2/_).X +.#)+.)++3-",f 2W 3"0/.*",4$<*.’=&8.8(3*’63(3*’">[[["!C %>%&!>;K ;6>;K @ &)@*!9.42,.+38,-$9.42,.+38,-*+,)."+X 2)7E #I 8*$9.42,.+38,-"%;;>$(,,1!##Y Y Y$’.42,.+3$’/$W ^#1./-W ’,2$+21 $)=*!梁风"严学俭$类金刚石薄膜的性质$应用及制备)L *$物理学报">[[["B C %=&!>;[@6>>;%$%8"+3#!"F +3eL $A ./1).,4"+11 X "’+,"/3+3-1.)1+.+,"/3/0-"+*/3-6X "^)0"X *$%&3(=&# -68*">[[["B C %=&!>;[@6>>;%&)R *!姚东升"刘晶儒"俞昌旋"等$等离子体粒子流特性对类金刚石薄膜性能的影响) L *$中国科学"%;;;"’D %@&!:@>6:@@$%F +/7&"8"W LV "F W9e "),+X $g 00)’,/0’(+.+’,)."2,"’2/01X +2*+1X W *)/3,()-"+*/3-6X "^)0"X *-)1/2","/3$6*34(*43(%&3(’"%;;;"’D %@&!:@>6:@@&)K *!7"+3)*&"D "’(+)X h D$7"+*/3-X "^)’+.\/31./,)’,"_)’/+,"3#20/./1 ,"’+XY "3-/Y 2)V *$‘C &C 6bD 6>;%>>>">[K [$% T =>强激光与粒子束 第>K 卷 !["!9("W&#b W .#)/3&#b )..)+W X E #),+X $A X +2*+-)1/2","/3/0+*/.1(/W 2’+.\/30"X *2/3’/11 ).!L "$7&3(68931239>-#%;;;#’E F $%%&%R @6%K %$ $,;,+-4 9,./-235)9-.3+5G ,?)0*-.25+9?-)/,365.3-665/7653,14 ,?/0)+/0).195115-.E C Gb "3##!8G ]L "3#6.W #!F gL "3#60)3##!QC ‘P&()3##!F ge "62()3#$?8:.&@4-.,(-.3.+.48A ?+*94’:74*&(898)## =B /B C 8!=["%=#D 3’’(R >;;%:#%&3(’%!!H *1/0)?/&!b ()-)_)X /1*)3,/0-"+*/3-X "^)’+.\/3$789%0"X *’/+,)-/1,"’+XY "3-/Y 2Y ",(Y "-)21)’,.+X ,.+32*"22"/3"21.)2)3,)-"3,("21+1).$b ("2789’/+,)-Y "3-/Y’+3\)W 2)-+2+3/1,"’+XY "3-/Y "3,()21)’,.+X .+3#)/0;$@T ">%$;;#*Y ",(,(),.+32*"22"/3/0("#().,(+3R ;Z"3*/2,/0,()21)’,.+X \+3-$b ()W 3"0/.*",4/0,()0"X *"2\),,).,(+3[R Z Y ",(,()+.)+/0!=;**$b ()/1,"’+X 1).0/.*+3’)+3-)3_"./3*)3,+-+1,+\"X ",4/0,()789’/+,)-Y "3-/Y+.)+X 2/,)2,)-$G ,’+33/,/3X 4Y /.^Y )X X "3-+*1#(/,/.’/X -)3_"./3*)3,\W ,+X 2/,/X ).+,)"30.+.)-("#(1/Y ).X +2).2$b ()Y "3-/Y 2(+_)\))3,)2,)-\4(#)3).+X 21)’"0"’+,"/30/./1,"’+X ’/+,"3#2)$P L E %:K @*[@%+3-(21)’"0"’+,"/30/.,()’/+,)-Y "3-/Y Y ",(Y "-)21)’,.+X ,.+32*"22"/3)$a +C !%;;K R *%;;T %$ !!I ,J 6 -031&!Q "-)21)’,.+X ,.+32*"22"/3’/+,)-Y "3-/Y ,!7890"X *,!A W X 2)-X +2).-)1/2","/3,!]3"0/.*",4T T =>第>;期白!婷等&宽波段的类金刚石薄膜光学窗口 Material Sciences 材料科学, 2014, 4, 145-151 Published Online July 2014 in Hans. https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html,/journal/ms https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html,/10.12677/ms.2014.44022 The Molecular Dynamics Simulation on the Diamond-Like Carbon Films Minyong Du1, Ming Zhang1*, Jizhou Wei1, Haoliang Deng1, Shangjie Chu1, Kun Ren2 1College of Materials Science and Engineering, BeiJing University of Technology, Beijing 2College of EE and CE, Beijing University of Technology, Beijing Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html, Received: May 28th, 2014; revised: Jun. 25th, 2014; accepted: Jul. 4th, 2014 Copyright ? 2014 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html,/licenses/by/4.0/ Abstract The research and application of the diamond-like carbon films are very extensive since it was found due to the superior properties. Therefore, we had begun to study using molecular simula-tion methods in order to get better properties and explore better structure as early as the 1980s. In this background, the paper describes the development of the case of the diamond-like carbon films’ study, and gives a brief summary for the representative study of each period. Then, we point out some of the key issues that the diamond-like simulation faces and give the prospect for its fu-ture development at the end of this paper. Keywords Diamond-Like Carbon Films, Molecular Dynamics Simulation, Interatomic Potentials 类金刚石薄膜的分子动力学研究 杜敏永1，张铭1*，魏纪周1，邓浩亮1，楚上杰1，任坤2 1北京工业大学，材料科学与工程学院，北京 2北京工业大学，电子信息与工程学院，北京 Email: duminyong@https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html,, *mzhang@https://www.wendangku.net/doc/2c3382263.html, 收稿日期：2014年5月28日；修回日期：2014年6月25日；录用日期：2014年7月4日 *通讯作者。 实验阿贝折射仪测介质折射率 折射率是透明材料的一个重要光学常数。测定透明材料折射率的方法很多，如全反射法和最小偏向角法，最小偏向角法具有测量精度高、被测折射率的大小不受限制、不需要已知折射率的标准试件而能直接测出被测材料的折射率等优点。但是，被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求高，不便快速测量。全反射法具有测量方便快捷，对环境要求不高，不需要单色光源等特点。然而，因全反射法属于比较测量，故其测量准确度不高（大约Δn=3×10-4），被测材料的折射率的大小受到限制（约为1.3～1.7），且对固体材料还需制成试件。尽管如此，在一些精度要求不高的测量中，全反射法仍被广泛使用。 阿贝折射仪就是根据全反射原理制成的一种专门用于测量透明或半透明液体和固体折射率及色散率的仪器，它还可用来测量糖溶液的含糖浓度。它是石油化工、光学仪器、食品工业等有关工厂、科研机构及学校的常用仪器。 【实验目的】 1.加深对全反射原理的理解，掌握应用方法。 2.了解阿贝折射仪的结构和测量原理，熟悉其使用方法。 3.通过对葡萄糖溶液折射率的测定确定其浓度。 【实验仪器】 WAY阿贝折射仪、标准玻璃块一块，折射率液（溴代萘）一瓶，待测液（自来水，酒精，糖溶液）、滴管、脱脂棉及擦镜纸 【实验原理】 一、仪器描述 阿贝折射仪是测量物质折射率的专用仪器，它能快速而准确地测出透明、半透明液体或固体材料的折射率（测量范围一般为1.4-1.7)，它还可以与恒温、测温装置连用，测定折射率与温度的变化关系。 阿贝折射仪的光学系统由望远系统和读数系统组成，如图1所示。 望远系统。光线进入进光棱镜1与折射棱镜2之间有一微小均匀的间隙，被测液体就放在此空隙内。当光线（自然光或白炽灯）射入进光棱镜1时便在磨砂面上 类金刚石膜技术基础 一、类金刚石薄膜发展史： 金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。 光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。 目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。 1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进程 自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。当时，这种膜被人们称作i形碳。直到1976年，斯潘塞（Spencer）等人对这种应碳膜的结构进行了探讨，结果确认膜中有金刚石等数种碳系结晶，后才被人们称之为类金刚石膜。就在这一年，德贾吉恩（Derjaguin）等人利用化学转变法合成出了金刚石薄膜。从此之后，低压CVD金刚石薄膜工艺引起了人们的注意。70年代中期，前苏联的科学家，论证了实用的CVD金刚石薄膜技术，接下来日本人又模仿和发展了此项技术。进入80年代后，低压CVD金刚石薄膜研究在日本蓬勃开展起来。在从1963～1987年的25年中，各国相继发表的有关金刚石薄膜制作技术及其相关材料的专利，共有672篇。其中美国 类金刚石薄膜界面结合力的改善技术 赵洋1 （1.西南大学材料科学与工程学院，重庆400715) [摘要] 本文对当前国内外改善DLC薄膜界面结合力的技术进行了综述，包括改善沉积工艺、掺杂、过渡层设计等，为改善DLC薄膜结合力提供依据。 [关键词]类金刚石薄膜；内应力；结合力 technology of improving the interfacial adhesion of DLC films Zhao Yang1 (1．School of Materials Science and Engineering，Southwest University，Chongqing 400715，China；) [Abstract] Current domestic and international technology of improving the interfacial adhesion of DLC films are summarized in this paper in order to supply the accordance of improving the adhesion，which includes the changing of deposition parameters, doping, interlayers, and so on. [Key words] DLC films; intrinsic force；adhesion 1 引言 类金刚石薄膜(DLC)，具有类似于天然金刚石的性质，是一种新型的硬质润滑功能薄膜材料[1]，薄膜中的碳原子部分处于sp2杂化状态，部分处于sp3杂化状态，同时也有极少数处于sp1杂化状态[2]。由于具有优良的光、电和力学特性, 在工业上具有广泛的应用前景[3~4], 近年来DLC膜在许多方面已得到了工业化应用, 如在切削刀具, 自动化机械零部件等的表面涂层处理上。 然而，DLC膜的一个致命弱点是内部应力很高, 有些DLC膜应力高达10G Pa，使得薄膜的结合力特性较差、不易厚膜化,从而极大地限制了它的应用范围。这主要是由于DLC薄膜在沉积过程中，离子对基体表面的轰击和注入，使得膜基之间存在较大的应力，再加上本身具有的化学惰性, 难以与基体形成化学健合, 使得其与一些常用的衬底材料难于形成强固的粘合层。为改善DLC薄膜的特性，尤其是界面结合力，许多科研工作人员从多方面进行了探索和研究。目前，国内外改善DLC薄膜界面结合强度主要是从本征应力和界面应力的控制两方面来着手。其中，通过改变工艺参数、掺杂第三元素[5]、引入中间过渡层或进行退火后处理[6]等方式来改善DLC膜结合力是目前技术研究的热点。 2 DLC结合力改善技术 折射率的测量与运用 1、周凯宁，肖宁，陈棋，钟杰，李登峰《3种测量三棱镜折射率方法的对比》实验室研究与探索，第30卷第4期，第22--26页，2011年4月 摘要：为了提高实验效率，并找一种更加简捷的测量三棱镜折射率方法，对垂直底边入射法进行了研究，并和传统的最小偏向角法和全反射法进行了比较。垂直底边入射法让入射光线垂直于三棱镜顶角的临边入射，通过测量出射角度间接测量三棱镜折射率。比较了3种方法操作的简繁程度、测量数据的准确性和结果不确定度。实验结果表明，垂直底边入射法的操作较之传统方法更加简便，数据和最小偏向角法的结果符合很好，数据准确性次于最小偏向角法。最小偏向角法在数据的准确性方面优于其他两种方法．全反射法的不确定度明显高于其他2种测量方法。采用垂直底边入射法可以有效地达到简化测量三棱镜折射率的目的。 2、黄凌雄，赵丹，张戈，王国富，黄呈辉，魏勇，位民《Er ：SGB 晶体主轴折射率测量》人工晶体学报，第35卷第3期，第442--448页，2006年6月 摘要：根据Er ：sbGd(BO ，)，(Er ：sGB)的透过率曲线粗略估计了该晶体的折射率，再利用白准直法，精确测量了30—170℃范围内，O ．4880m μ、O ．6328m μ、1．0640m μ、1．338m μ等波长下Er ：sGB 晶体的主轴折射率，得到seumeier 方程并计算了1319m μ下Er ：sGB 晶体的主轴折射率，与实验测量的结果进行比较，两者的差异不大于2×410-，处在测量误差的范围内，验证了实验结果的可靠性。 3、杨爱玲，张金亮，唐明明，孙步龙《LFI 法测量半透明油的折射率》光子学报，第38卷第3期，第703--704页，2007年 摘要：LFl 方法曾被用来测量大直径光纤的折射率．用一半盛油一半为空气的毛细管代替光纤，并用聚焦的条形光束照射毛细管，空气与油的干涉奈纹同时产生．根据空气的条纹可以确定参数6，根据一组已知折射率的标准样品可确定另一参数f ，同时可以建立标准液体最外条纹的偏折角与折射率的标准曲线．对于未知折射率的样品，一旦测量出其最外条纹的偏折角，从标准曲线上就可以读出其折射率．实测了一组半透明油的折射率，其结果与阿贝折射仪测量结果接近． 4、廖焕霖，罗淑云，王凌霄，彭吉虎，吴伯瑜，沈嘉，高悦广，宋琼《LiNbo 。电光调制器行波电极微波等效折射率的测量》电子与信息学报，第25卷第2期，第284--288页，2003年2月 摘要：LINb03电光调制器器的设计中，行波电射的微波等效折射率是一个重要的参数，该文通过自行设计的微波探针架及探针，采用差值的方法，在微波同络分析仪上对样品CPW 电极的微波等效折射率进行了测量．分析了实测值与理论值的偏差，给出了修正因子，研究了微波等效折射率随频率变化的色散现象，并对这种测量方法进行了误差分析，提出了减小误差的方法。 5、黄凌雄，赵玉伟，张戈+，龚兴红，黄呈辉，魏勇，位民《LYB 晶体主轴折射率测量与评价》光子学报，第37卷第1期，第185--187页，2008年1月 摘要：采用自准直法测量了在30℃～170℃范围内，0．473m μ、0．6328m μ、1．0640m μ、1．338m μ等波长下LYB 晶体的主轴折射率，得到Sellmeier 方程并 实验二透明介质折射率的测定 折射率是光学材料的重要参数之一，它与材料的温度、湿度、浓度等基本物理量有一定的关系，在科研和生产实际中，常通过测量折射率来获得材料的相关信息．本实验用掠入射法测定液体折射率，用光的折射法测固体折射率． ·实验目的 1．了解阿贝折射仪的工作原理，熟悉其使用方法； 2．用掠入射法测定液体的折射率； 3．用像的视高法测固体的折射率． ·实验仪器 阿贝折射仪，移测显微 镜，钠灯，玻璃砖，水、 酒精等待测液体． 阿贝折射仪是测量固 体和液体折射率的常用仪 器，测量范围为1.3～1.7，可以直接读出折射率的值，操作简便，测量比较准确，精度为0.0003．测量液体时所需样品很少，测量固体时对样品的加工要求不高． 1 8 15 1反光镜；6阿米西棱镜手轮（色散调节手轮）；7色散值刻度圈；8目镜；10棱镜锁紧手柄；11棱镜组；13温度计座；14底座；15折射率刻度调节手轮（转动棱镜）；16校正螺钉；18圆盘组；19小反光镜；20读数镜筒；21望远镜筒 14 6 7 18 19 20 21 10 11 图2-1（a）WZS-1型阿贝折射仪结构图 16 13 1.阿贝折射仪的外部结构 实验用阿贝折射仪的型号有两种：WZS-1型阿贝折射仪结构见图2-1（a ）、2WAJ 型阿贝折射仪结构见图2-1（b ）． 2.阿贝折射仪的光学系统 WZS-1型阿贝折射仪的光学系统由两部分组成：望远系统与读数系统如图2-2所示． 望远系统：光线经反射镜1反射进入照明棱镜2及折射棱镜3，待测液体放置在棱镜 2与3之间，经阿米西消色差棱镜组4抵消由于折射棱镜待测物质所产生的色散，通过物 ) (a 386 4 5 2 1 7) (b ' 8' 710 119 141312 图2-2 阿贝折射仪光学结构示意图 1反光镜；2棱镜座连接转轴；3遮光板；4恒温器接头；5进光棱镜座；6色散调节手轮；7色散值刻度圈；8目镜；9盖板； 10棱镜锁紧手轮； 11折射标棱镜座； 12照明刻度盘聚光镜； 13温度计座； 14底座； 15折射率刻度调节手轮；16校正螺钉； 17壳体； 16 7 2 17 15 6 14 4 10 11 8 12 9 5 1 13 3 图2-1（b ）2WAJ 型阿贝折射仪结构图 常用晶体及光学玻璃折射率表 注：no、ne分别是晶体双折射现象中的“寻常光”的折射率和“非常光”的折射率。资料来源：华东师大《光学教程》 一般情况下，基础玻璃的折射率为1.5—1.7，而斜锆石的折射率为2.2，锆英石的折 射率为1.94；SnO2可以降低釉熔体的表面张力，且具有较高地折射率（2.09） CR-39即折射率1.499单体 有机高分子化学 日开发出新型热固性树脂 -------------------------------------------------------------------------- ------ 2019-7-28 9:04:29 来源：中国化工网 日前，日本Nitto Denko Corp公司开发出一种折射系数为1.7的芳香族热固性树脂，高于折射率1.56的环氧树脂，且这种树脂的耐热性也比环氧树脂高30％。 该公司称，折射系数的提高是由于在其中添加了二氧化钛、二氧化锆及其它金属氧化 物的纳米级粒子。据介绍，这种树脂主要用途在电器领域，包括用于涂料中可提高白色发 光二极管(LEDs)的发光率和吸光率，液晶显示器(LCDs)和其它显示器的防反射膜，以及在 电荷耦合器件(CCDs)中作为微透镜使其能接受大量光等。 金红石型和锐钛矿型TiO2颜料的平均折射率分别为2.71和2.57，用2.71来计算， 氧化锌颜料的相对密度为5.45 ~ 5.65，吸油度量为10 ~ 25 g/100 g，折射率为 2.03 ~ 2.08。 商业上98%颜料级硫化锌的相对密度为4.0 ~ 4.1，折射率为2.37 三氧化锑颜料的折射率约为2.0， 名称折射率透光范围蒸发温度(℃) 蒸发源应用 三氧化二铝 1.62/550n 200~5000 2000-2200 电子枪增透膜多层膜氟化铈氧化铈 冰晶石氧化铪 1.63/500nm 300~5000 1429 钼，钽，电子枪增透膜、多层膜 2.35/500nm 400~16000 1950 电子枪增透膜 1.33/500nm 250~14000 1000 钼，钽，电子枪增透膜 1.95/500nm 230~7000 2500 电子枪紫外-近红外多层膜 类金刚石膜调研 类金刚石薄膜发展史： 金刚石、类金刚石薄膜技术，是指利用各种光学薄膜制作技术制作接近天然金刚石和人造单晶金刚石特性（如在较宽光谱内均具有很高的光透过率－－在2～15μm（微米）范围光的吸收率低到1％；具有很高的硬度、良好的导热性、耐腐蚀性以及化学稳定性高－－1000℃（摄氏度）以上仍保持其化学稳定性等）的人造多晶金刚石薄膜、类金刚石薄膜（又称为硬碳膜、离子碳膜、或透明碳膜）的一种技术。 光学应用金刚石、类金刚石薄膜主要采用低压化学汽相沉积（CVD）技术制备。低压CVD 技术包括热丝CVD法、等离子体CVD法、离子束蒸镀法、光/激光CVD法附加活性氢激光CVD 法等。 目前，CVD法制作金刚石薄膜已取得丰硕成果，但作为红外光学薄膜应用还需进一步解决金刚石薄膜对红外光学材料的粘着性和光散射的问题。CVD法制作的金刚石薄膜与硅基片的粘着性是不错的，但是与其他材料（如锗、硫化锌等）基片的粘着性就甚差，或是根本就粘着不到一起去。对于光散射的问题，则是要求如何更好地控制金刚石薄膜表面形态和晶粒结构。理想的CVD法制造的红外光学应用的金刚石薄膜或许是一种单晶结构的膜，但是，目前使用CVD法还不能制造单晶结构的金刚石薄膜。此外，大面积薄膜的制作、膜的光洁度等技术课题以及金刚石薄膜的制作成本问题，都有待于继续研究解决。 1.1金刚石、类金刚石薄膜研究进展 自1963年在一次偶然的机会出现了不寻常的硬度和化学性能好的化学汽相沉积（CVD）碳形式的薄膜后,国外有不少研究单位开始研究金刚石薄膜的沉积工艺.1971年,艾森伯格（Aisenberg）和沙博（Chabot）等人,利用离子束蒸镀法,以石墨作薄膜材料,通过氩气弧光放电使石墨分解电离产生碳离子。碳离子经磁场聚焦成束,在比较高的真空条件下,在低压沉积室内的室温下的基片上沉积出了硬碳膜。这种硬碳膜具有近似于金刚石的一些特性－如透明度高、电阻抗大、硬度高等。当时，这种膜被人们称作i形碳。直到1976年，斯潘塞（Spencer）等人对这种应碳膜的结构进行了探讨，结果确认膜中有金刚石等数种碳系结晶，后才被人们称之为类金刚石膜。就在这一年，德贾吉恩（Derjaguin）等人利用化学转变法合成出了金刚石薄膜。从此之后，低压CVD金刚石薄膜工艺引起了人们的注意。70年代中期，前苏联 现代光学设计实验（二） 物质折射率测定实验 光学作为一门本科光学专业的必修课，主要以理论知识的形式出现，在诸多具体应用中，也多是仅提出一种方法，具体的应用过程都要进行光电信号的有机结合。本实验的目的即是结合理论基础与实际应用，实现光电的有机结合。 1. 设计要求 本课程是一门以实践为主的综合实验技术科，要求学生在已学过的波动光学、数字电路、模拟电路等相关基础课、专业课和实验课的基础上，提出一套实用的物质折射率测定方案，设计必要的光学系统和硬件电路，完成光电信号的转换，物理信号与硬件电路的有机结合，实现对物质折射率的准确测量。 2. 物质折射率测定原理 2.1 双缝干涉原理 如图1所示，由光源S 发出的光的波阵面同时到达1S 和2S 。通过1S 和2S 的光将发生衍射现象而叠加在一起。由于1S 和2S 是由S 发出的同一波阵面的两部分，所以这种产生光的干涉的方法叫做分波阵面法。 图1 双缝干涉原理 考虑屏上任意一点P ，从1S 和2S 到P 的距离分别为1r 和2r 。由于在图示装置中，从S 到1S 和2S 等远，所以1S 和2S 是两个同相波源。因此在P 处的强度就仅由从1S 和 2S 到P S 点的波程差决定。有图可知，这一波程差为 θ δsin 12d r r ≈-= 式中θ是P 点的角位置，即1S 2 S 的中垂线MO 与MP 之间的夹角。通常θ很小。所 以有： D x d θd θ d r r δ =≈≈-=tan sin 12 产生明纹的条件为： λδk ±= k=0,1,2… 其在屏上的位置为： λ d D k x k ±=± k=0,1,2… 产生暗条纹的条件为： 2 ) 1 2(λ δ+±=k k=0,1,2… 其在屏上的位置为： λ d D k x k 2) 1 2( )12(+±=+± k=0,1,2… 2.2 实用折射率检测系统 当我们在双缝干涉中将一折射率n 厚度为h 的物体放在S1前面时就引入了额外光程差δ?，表现为条纹在屏上发生了位移x ?。只要知道物体的厚度h ，以及条纹的移动距离变可以计算出物体的折射率n 。然而实际测量时，当把待测物体至于S1前时，条纹移动会出现跳变，因此实际上很难得知条纹到底移动了多少距离，而且距离的测量会引入较大误差，测得的折射率结果误差较大，因此引入如图2所示的检测系统： 在S1前放置待测物体W1，其折射率为n1未知，厚度h1。S2前放置一互补楔形物体W2，折射率n2，总体厚度为h2，楔形物W2由机械系统驱动，可以自由滑动，动态改变厚度h2的值。通过调节W2可以使中央0级亮纹始终位于两孔的中垂线上。由两物体光程差的互补可知： 实验名称：透明材料折射率测量 仪器与用具：2WAJ型阿贝折射仪、蒸馏水、脱酯棉、无水乙醇、葡萄糖溶液、滴管、螺丝刀等 实验目的： 1、理解全反射原理及其应用，学会使用阿贝折射仪测量折射率； 2、测量无水乙醇的折射率； 3、测量葡萄糖溶液的浓度。 注意：实验报告要书写规范、完整，内容包括实验名称、实验者基本信息、实验仪器与用具、实验目的、实验原理、实验内容与步骤、数据记录与处理、实验结论与分析、思考题、注意事项等。 折射率是透明材料的重要光学常数。本实验应用阿贝折射仪采用建立在全反射原理基础上的掠入射法（全反射法）测量透明物质的折射率。 测量透明材料折射率最常用的方法是最小偏向角法和全反射法，前者具有测量精度高，被测折射率的大小不受限制等优点，但是被测材料要制成棱镜，而且对棱镜的技术条件要求高，不便快速测量；全反射法属于比较测量,虽然测量准确度较低(大约ΔnD=3×10-4),被测折射率的大小受到限制(nD大约为1.3~1.7),但是全反射法具有操作方便迅速,环境条件要求低,不需要单色光源等优点。 阿贝折射仪就是利用全反射法制成的,专门用于测量透明或半透明液体或固体折射率及平均色散的仪器,它还能测量糖溶液的含糖浓度。它是石油、油脂、制药、制漆、制糖和日用化学工业、地质勘察等有关工矿、学校及科研单位不可缺少的常用设备之一。 通过本实验，学会阿贝折射仪的调整和使用方法；掌握用掠入射法测定物质的折射率；测量酒精的折射率和葡萄糖溶液的浓度。 【实验原理】 应用阿贝折射仪测量物质的折射率的方法是建立在全反射原理基础上的掠入射法。 （认真阅读实验讲义P216~220内容，弄清实验原理和内容） 在阿贝折射仪中，实际上是用转动棱镜的方法去改变i，以适应不同折射率n1值的测量。而读数望远镜中的标尺(分度盘)，则已按(5.1.5)式将出射角i换算成折射率值标出,故现场中的读数即为被测物质的折射率。阿贝折射仪的设计特别考虑了糖溶液的浓度与其折射率的对应关系，将其浓度值在刻度盘上直观地显示出来，可以方便地直接测量糖溶液的浓度。 【实验内容及步骤】 1．了解实验仪器、材料及其用途 2WAJ型号的阿贝折射仪、脱脂棉、蒸馏水、无水乙醇、葡萄糖溶夜、滴管 2．了解注意事项 （1）尽量不要移动阿贝折射仪，确需移动时一定要轻拿轻放，避免振动，防止倾倒，切忌在实验台面上硬拖硬拉！ （2）调整阿贝折射仪的各可调整部分时，要用力适中，细心慢调，不能蛮力调整。 （3）各试剂瓶子与滴管一一对应，不能混用。 （4）对号入座，各组仪器、用品不可混用。 （5）本实验采用老师讲解演示和同学练习同步进行的方式，一定要注意精力集中，提高效率。 3．学习阿贝折射仪的使用 依次学习练习目镜（调焦）、反光板（反光孔）、进光孔、进光棱镜、折射棱镜、棱镜锁定手轮、棱镜转动手轮、阿米西 金刚石薄膜的性能研究 金刚石薄膜的应用 由于金刚石的优异性质，加上CVD法大大降低了金刚石的生产成本而CVD金刚石薄膜的品质逐渐赶上甚至在一些方面超过天然金刚石而使得金刚石薄膜广泛地用于工业的许多领域： 1 工具领域 随着汽车、航空和航天工业的发展以及对材质轻量化、高比强度的要求日益提高，有色金属、碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GFRP）、纤维增强金属（FRM）以及石墨、陶瓷等新材料在工业中的应用日益广泛，因而对加工这些材料的刀具提出了更高的要求，金刚石的高硬度，耐磨损，高热导，低热膨胀系数，低摩擦系数，化学惰性等优点使得金刚石是加工非铁系材料的理想工具材料。HTHP金刚石在二十世纪60年代就被用于刀具领域，但由于其制备工艺复杂，价格昂贵，刀具种类受限而限制了其在工业上的广泛应用；将金刚石薄膜直接沉积在刀具表面，能极大地延长刀具的使用寿命，加工质量也大为提高。 2 热沉领域 目前国内半导体功率器件采用铜作热沉，在同时要求绝缘的场合采用氧化铍陶瓷。但氧化铍在制备过程中有剧毒物质产生，在发达国家已禁止使用。金刚石在室温下具有最高的热导率，是铜、银的5倍，又是良好的绝缘体，因而是大功率激光器件、微波器件、高集成电子器件的理想散热材料 采用金刚石热沉（散热片）的大功率半导体激光器已经用于光通信,在激光二极管、功率晶体管、电子封装材料等方面都有应用；金刚石热沉商品也已在国外市场出现。金刚石热沉的另一应用前景是用于正在发展之中的多芯片技术（MCMs，Multi Chip Modules）,这一技术的目标是把许多超大规模集成电路芯片以三维的方式紧密排列结合成为超小型的超高性能器件，而这些芯片的散热则是该技术的关键，显然金刚石薄膜是解决这一技术难题最理想的材料。 3 光学应用领域 金刚石的光学吸收在0.22μm左右，相当于真空紫外光波段，从此位置直到毫米波段，除位于～5μm附近由于双声子吸收而造成的微弱吸收峰（吸收系数～12.3cm-1）外，不存在任何吸收峰。 金刚石膜作为光学涂层的应用前景非常好。在军事可用作红外光学窗口和透镜的涂层。在民用方面可用作在恶劣环境（如冶金，化工等）下工作的红外在线监测和控制仪器的光学元件涂层。CVD金刚石膜通常沉积温度在800～1000℃左右,大多数光学材料衬底都不允许在这样高的温度下沉积金刚石膜,因此在低温下沉 学科前沿知识讲座论文 类金刚石薄膜的性能与应用 摘要： 类金刚石膜(Diamond-like Carbon)简称DLC，是一类性质类似于金刚石如具有高硬度、高电阻率、耐腐蚀、良好的光学性能等，同时其又具有自身独特摩擦学特性的非晶碳膜。作为功能薄膜和保护薄膜，其广泛应用于机械、电子、光学、医学、航天等领域中。类金刚石膜制备方法比较简单，易实现工业化，具有广泛的应用前景。 关键词：超硬材料类金刚石薄膜制备气象沉积表面工程技术引言 磨损是工程界材料功能失效的主要形式之一，由此造成的资源、能源的浪费和经济损失可用“巨大”来表示。然而，磨损是发生于机械设备零部件表面的材料流失过程，虽然不可避免，但若采取得力措施，可以提高机件的耐磨性。材料表面工程主要是利用各种表面改性技术，赋予基体材料本身所不具备的特殊的力学、物理或化学性能，如高硬度、低摩擦系数、良好的化学及高温稳定性、理想的综合机械性能及优异的摩擦学性能，从而使零部件表面体系在技术指标、可靠性、寿命和经济性等方面获得最佳效果。硬质薄膜涂层因能减少工件的摩擦和磨损，有效提高表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命，而广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。 一、超硬薄膜材料 随着材料科学和现代涂层技术的发展，应用超硬材料涂层技术改善零部件表面的机械性能和摩擦学性能是21世纪表面工程领域重要的研究方向之一。超硬薄膜是指维氏硬度在40GPa以上的硬质薄膜。到目前为止，主要有以下几种超硬薄膜: 1 金刚石薄膜 金刚石薄膜的硬度为50~100GPa(与晶体取向有关)，从20世纪80年代初开始，一直受到世界各国的广泛重视，并曾于20世纪80年代中叶至90年代末形成了一个全球范围的研究热潮。金刚石膜所具有的最高硬度、最高热导率、极低摩擦系数、很高的机械强度和良好化学稳定性的优异性能组合使其成为最理想的工具和工具涂层材料。金刚石薄膜在摩擦学领域应用的突出问题，就是在载荷条件下薄膜与基体之间的粘附强度以及薄膜本身的粗糙度问题，目前，己经有针对性地开展了大量的研究工作。随着研究工作的不断深入，金刚石薄膜将会为整个人类社会带来巨大的经济效益。 2 立方氮化硼(c-BN)薄膜 立方氮化硼(c-BN)薄膜的硬度为50~80GPa，它具有与金刚石相类似的晶体结构，其物理性能也与金刚石十分相似。与金刚石相比，c-BN的显著优点是具有良好的热稳定性和化学稳定性，适用于作为超硬刀具涂层，特别是用于加工铁基合金的刀具涂层。 3 碳氮膜 碳氮膜是新近开发的超硬薄膜材料，理论预测它具有达到和 实验十一 折射率测量 折射率是物质的重要特性参数之一，使人们了解光学玻璃、光纤、光学晶体、液晶、薄膜等材料的光学性能。折射率也是矿物鉴定的重要依据，也是光纤通信、工程塑料新物质和新介质判断依据。测量折射率的方法很多，这里介绍几种主要的实验方法。 练习一 用最小偏向角法测棱镜玻璃折射率 【实验目的】 1．进一步熟悉分光计调节方法； 2．掌握三棱镜顶角，最小偏向角的测量方法。 【实验仪器】 JJY 型分光计、低压钠灯、平面反射镜、等边三棱镜。 【实验原理】 一束平行的单色光，从三棱镜的一个光学面（AB 面）入射，经折射后由另一光学面（AC 面）射出，如图5.11.1所示。入射光和AB 面法线的夹角i 称为入射角，出射光和AC 面法线的夹角i '称为出射角，入射光和出射光的夹角δ称为偏向角。可以证明，当入射角i 等于出射角i '时，入射光和反射光之间的夹角δ最小，称为最小偏向角m in δ。 由图5.11.1可知)''()(r i r i -+-=δ，当 'i i =时，由折射定律有'r r =，得 )(2min r i -=δ (5.11.1) 又因 A A G r r r =-π-π=-π==+)(2' 所以 = r 2 A (5.11.2) 由式（5.11.1）和式（5.11.2）得 2 min δ+= A i 由折射定律有 ① ② 图5.11.1 2 sin 2sin sin sin min A A r i n δ+== (5.11.3) 由式（5.11.3）可知，只要测出最小偏向角min δ（顶角已知），就可以计算出棱镜玻璃对该波长的折射率。 【实验内容与步骤】 1．正确调整分光计，使其满足实验要求（参阅§3.9） 2．测定玻璃三棱镜对钠光黄光的最小偏向角 如图 5.11.2所示，旋载物台，使一光学面AC 与平行光管入射方向基本上垂直。当一束钠黄单色光从平行光管发出平行光射向三棱镜AB 光学面，经过三棱镜AC 光学面折射出来，望远镜从毛面BC 底边出发，沿着逆时针旋转，会看到清晰的狭缝像，说明找到折射光路。此时转动小平台连同棱镜，观察狭缝像运动 状态，如果向右移动，偏向角δ变小。再转小平台狭缝像会走到一定位置转折，使δ偏大，此转折点即为该光谱线的最小偏向角位置，把望远镜对准这个转折点，记录下来，为m in T 、min 'T 。然后使望远镜对准入射光（平行光管位置），读取方位为0T 与0'T ，则最小偏向角 ]''[2 1 0min 0min min T T T T -+-=δ 3．计算棱镜折射率 光的颜色_______ 波长_______nm ]''[2 1 0min 0min min T T T T -+-=δ 图5.11.2 测最小偏向角示意图 陶瓷专题 金刚石材料的功能特性研究与应用 高 凯,李志宏 (天津大学材料科学与工程学院,天津 300072) Study and Application on Functional Properties of Diamond Materials GAO Kai,LI Zhi hong (S chool of M ater ial S cience and Engineer ing,T ianj in Univer sity,T ianj in300072,China) Abstract:Functional properties of diamo nd mater ials and its study and application recent years on w ide bandg ap semiconducto rs,ultraviolet detectors,sing le pho to n source for quantum computer,so nic surface diffusion and electronic encapsulatio n w ere reviewed in this paper,and other po tential application on func tional proper ties of the diamond materials w ere expected. Key words:Diamo nd,Functional proper ty,Study,Application 摘要:本文综述了金刚石的功能特性及其近年来在宽禁带半导体、紫外探测器、量子计算机用单光子源、声波材料和电子封装等方面的研究与应用进展,并对金刚石材料在其它功能特性方面的开发与应用前景提出了展望。 关键词:金刚石;功能特性;研究;应用 中图分类号:TB33 文献标识码:A 文章编号:1002-8935(2010)04-0009-05 金刚石是目前工业化生产的最硬材料,其前通常利用其硬度特性广泛地作为加工、研磨材料。但它除了具有高硬度之外,其许多优异特性被逐渐发现和挖掘,如室温下高热导率、极低的热膨胀系数、低的摩擦系数、良好的化学稳定性、大的禁带宽度(5 5eV)、高的声传播速度、掺杂诱导的半导体特性以及高的光学透过率,使其在机械加工、微电子器件、光学窗口及表面涂层等许多领域有着广阔的应用前景。因此,金刚石材料的功能特性研究与应用引起了人们极大的兴趣,并在很多领域取得了突破和进展。 1 在宽禁带半导体方面的研究与应用 金刚石作为一种宽禁带半导体,在光电子学中的应用前景无疑是最引人注目的。但是由于n型金刚石半导体掺杂存在着一定的困难,使制备同质结的困难加大,目前领先的依然是麻省理工学院有关于金刚石薄膜p n结的研究[1],2001年麻省理工学院的Koizumi等第一次制备了金刚石薄膜p n结,在金刚石单晶的(111)面上以同质外延生长的方法制备了两层金刚石薄膜,p型半导体使用B元素掺杂金刚石薄膜而成,n型半导体则以P元素掺杂制备,然后他们对这个装置进行了改进,在施加20V 偏压电路的情况下,装置被激发出了紫外光,并且指出,该装置可以在高温下运作。Alexo v A等[2]则在掺杂B元素后的金刚石薄膜上用同质外延法制备了一层掺杂N元素的金刚石薄膜,但是并没有详细报道此p n结的电致发光等特性。之后有关同质结的报道很不常见,估计主要是还是因为金刚石n型半导体掺杂的可重复性存在着一定的困难所致,目前报道都集中于金刚石半导体异质结上,比如,已在Si晶片上生长含B金刚石薄膜[3],或者是制备肖特基二极管(Schottky diodes)和场效应晶体管(Field effect transisto rs,FET)。 1987年化学气相沉积(CVD)法制备含B金刚石薄膜的方法并不完善,所以Geis等[4]用合成含B 金刚石单晶的方法制备了由W元素接触的首个金刚石肖特基二极管,并在700下考察了样品的性能,确定了样品具有很高的击穿场强。同一课题组的相关人员进一步考察了不同金属元素接触对金刚石肖特基二极管性能的影响[5],大量的工作表明,使用Al,Au,H g元素作为含B金刚石的表面接触元 类金刚石薄膜材料 班级：材料物理081401 姓名：谭旭松 学号：200714020124 1.1类金刚石薄膜材料的概述 类金刚石薄膜（Diamond Like Carbon）简称DLC,它是一类性质近似于金刚石，以sp3和 sp2键杂化的碳原子空间网络结构的亚稳态非晶碳膜。依据制备方法和工艺不同，DLC的性质可以在非常大的范围变化，既可能非常类似与金刚石，也可能非常类似与石墨。其硬度、摩擦系数、导热率、光学带隙、光学透光率、电阻率等都可以依据需要进行“调制”。一般类金刚石薄膜沉积温度较低、膜面平整光滑，因而在机械电子光学声学计算机的很多领域得到应用，如耐磨层、高频扬声器振膜、光学保护膜等，因此对DLC的开发研究引起很多材料工作者的极大关注。自从1971年Aisenberg 和Chabot 两位科学家利用碳离子束沉积出DLC 薄膜以来，人们已经成功地研究出了许多物理气相沉积、化学气相沉积以及液相法制备DLC 薄膜的新方法和新技术。这之中有两个法分别为气相法和沉积法。 1.2类金刚石薄膜材料的结构和分类 常态下碳有三种键和方式：sp1，sp2，sp3。在sp3态碳原子的四个电子按四面体形状分布成sp3杂化轨道，形成强σ键；在sp2态，碳原子的四个电子中的三个形成在同一平面内的三次轴对称的sp2杂化轨道，它们可形成强σ键第四个电子轨道与该平面垂直，形成π键；在sp1态，仅两个电子形成σ键，另两个电子形成π键。金刚石（diamond）—碳碳以 sp3键的形式结合；石墨（graphite）—碳碳以sp2键的形式结合；而类金刚石（DLC）—碳碳则是以sp3和 sp2键的形式结合，生成的无定形碳的一种亚稳定形态，它没有严格的定义，可以包括很宽性质范围的非晶碳，因此兼具了金刚石和石墨的优良特性；所以由类金刚石而来的DLC膜同样是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，因而类金刚石薄膜的结构和性能介于金刚石和石墨之间，收沉积环境和沉积方式影响类金刚石薄膜中还可能含有H等杂质，形成一定数量的C-H键。 类金刚石薄膜（DLC）是1种非晶薄膜，可分为无氢类金刚石碳膜(a-C)和氢化类金刚石碳膜(a-C：H)两类。无氢类金刚石碳膜有a-C膜(主要由sp3和sp2键碳原子相互混杂的三维网络构成)，以及四面体非晶碳(tetrahedral carbon，简称ta-C)(主要由超过80％的sp3键碳原子为骨架构成)；氢化类金刚石碳膜(a-C：H)又可分为类聚合物非晶态碳(polymer—like carbon，简称PLC)、类金刚石碳、类石墨碳3种，其三维网络结构中同时还结合一定数量的氢. 类金刚石碳膜（diamond-like carbon films，简称DLC膜），的基本成分是碳，由于其碳的来源和制备方法的差异，DLC膜可分为含氢和不含氢两大类。DLC膜是一种亚稳态长程无序的非晶材料，碳原子间的键合方式是共价键，主要包含sp2和sp3两种杂化键，在含氢DLC膜中还存在一定数量的C-H键。我们从1996年起开始磁过滤真空弧及沉积DLC膜研究，正在完善工业化技术。如等离子体源沉积法、离子束源沉积法、孪生中频磁控溅射法、真空阴极电弧沉积法和脉冲高压放点等。不同的制备方法，DLC膜的成分、结构和性能不同。类金刚石碳膜作为新型的硬质薄膜材料具有一系列优异的性能，如高硬度、高耐磨性、高热导率、高电阻率、良好的光学透明性、化学惰性等，可广泛用于机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域，具有良好的应用前景。我们开发了等离子体- 光学材料折射率的测定 Summary ：Refractive index is one of the important parameters of optical materials, which often needs to be measured in scientific research and production practice. The method of measuring the refractive index can be divided into two categories: one is the application of refractive index and reflection, total reflection law, through the accurate measurement of the angle of the refractive index of the geometric optics method, such as the minimum deviation angle method, grazing incidence method, total reflection method and displacement method, etc. Another kind is the light passed the medium (or by a dielectric reflection) and the polarization state changes of the phase change of the transmitted light or reflected light) and refraction rate is closely related to the principle to measure the refractive index of the physical optics method, such as cloth Brewster angle method, interferometry, ellipsometry etc.. 摘要：折射率是光学材料的重要参数之一，在科研和生产实际中常需要测量它。测量折射率的方法可分为两类：一类是应用折射率及反射、全反射定律，通过准确测量角度来求折射率的几何光学方法，如最小偏向角法、掠入射法、全反射法和位移法等。另一类是利用光通过介质（或由介质反射）后，透射光的相位变化（或反射光的偏振态变化）与折射率密切相关的原理来测定折射率的物理光学方法，如布儒斯特角法、干涉法、椭偏法等。 关键词：最小偏向角 偏振 全反射 分光计 干涉 布儒斯特角 引言：本实验要求综合已学过的光学知识和基本实验操作，查阅有关资料，拟定实验方案，完成对各种待测样品的折射率测定，从而对光学材料折射率的测量，在原理和方法上有更全面的认识。加深对分光计、阿贝折射仪、迈克尔孙干涉仪等光学仪器使用方法的了解。 一、最小偏向角法 【实验原理】 由图1的三棱镜光路图，可以证明： 2 sin 2sin sin sin min 1 1 A A r i n +== δ 其中A 是三棱镜的顶角，δmin 是出射光在i 1=i 2时的最小偏向角。由上式可见，只要测得三棱镜的顶角A 和对钠黄光的最小偏向角δmin ，便可间接测出对该波长的光的折射率n 。 【实验步骤】 1. 调节分光计到使用状态，打开汞灯照明平行光管，找到折射光谱 2. 对准某条谱线，转动游标盘和望远镜跟踪此谱线，当其不再继续移动而反向移动时，记录游标盘读数θ1、θ2 3. 测定入射光方向，将望远镜对准平行光管，使分划板十字竖线对准狭缝中央，读出此时两游标的读数θ1'、θ2'，则最小偏向角δmin 为： ()()[] '2 1 22'11min θθθθδ-+-= 4. 重复测量，求平均值 图1 三棱镜中的光路图类金刚石薄膜的分子动力学研究
阿贝折射仪测介质折射率
类金刚石薄膜 资料介绍
类金刚石薄膜界面结合力的改善技术
折射率的测量与运用
实验二 透明介质折射率的测定
常用晶体及光学玻璃折射率表
类金刚石薄膜制备和应用
光学设计实验(二)_折射率测定实验
透明材料折射率测量
金刚石薄膜的性能研究
类金刚石薄膜的性能与应用
折射率测量
金刚石材料的功能特性研究与应用
类金刚石薄膜
光学材料折射率的测定报告