Tác động của tốc độ bốc bay màng tới chất lượng màng khử phản xạ đa lớp sử dụng cặp vật liệu SiO2/SiO

Tác động của tốc độ bốc bay màng tới chất lượng màng khử phản xạ đa lớp sử dụng cặp vật liệu SiO2/SiO ThS, Trần Anh Tuấn Viện Khoa học và Công nghệ, Bộ Công an. anhtuanh56@gmail.com Tóm tắt Tốc độ bốc bay (vận tốc lắng đọng) của các phân tử trên bề mặt đế có ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của màng mỏng. Nguyên lý tạo màng mỏng là quá trình đốt nóng (gia nhiệt) cho vật liệu màng làm cho vật liệu nóng chảy rồi bay hơi và lắng đọng (hoặc không lắng đọng) trên bề mặt đế trong môi trường chân không. Sự lắng đọng hay không lắng đọng nó phụ thuộc vào áp suất hơi trên bề mặt. Ở trạng thái cân bằng nghĩa là bay hơi lên bao nhiêu thì lắng đọng quay trở lại nguồn bấy nhiêu. Trong bài báo này tôi trình bày về kết quả nghiên cứu về những tác động của tốc độ bốc bay màng tới chất lượng màng khử phản xạ đa lớp sử dụng cặp vật liệu SiO2/SiO, trong vùng cận hồng ngoại, vùng hồng ngoại bước sóng ngắn. Từ khóa: Tốc độ bốc bay màng mỏng, màng khử phản xạ SiO2/SiO, chất lượng màng mỏng quang học. Mở đầu Chất lượng của màng mỏng quang học bao gồm đặc tính quang học: T(λ), R(λ), A(λ); cơ tính: độ bám dính, độ cứng; đặc tính không gian: độ đồng đều và đặc tính quang toàn bề mặt. Chất lượng của màng mỏng quang học thể hiện qua độ bền bám của màng mỏng quang học và hệ số truyền qua của màng mỏng quang học là bao nhiêu. Độ bền thể hiện tính bền vững của màng và được tạo nên do lực liên kết các phân tử màng với phân tử màng, giữa phân tử màng với đế. Độ bám là khả năng bám chặt của màng với bề mặt chi tiết được mạ màng do lực liên kết các phân tử màng với các phân tử đế. Cả hai tính chất bền và bám phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: Tình trạng chi tiết được mạ màng và vật liệu chi tiết được mạ màng. Vật liệu chế tạo màng, bề dày màng, số lớp của màng (chiều dày của màng sẽ quyết định tính chất của màng mỏng). Sự khác biệt giữa màng và đế về hệ số dãn nở nhiệt, về ứng suất, Điều kiện công nghệ chế tạo màng: Điều kiện làm sạch, áp suất buồng chân không, vận tốc thăng hoa, tốc độ bốc bay, nhiệt độ đế trong khi tạo màng, thời gian ủ màng, Điều kiện môi trường và thời gian sử dụng màng: Áp suất, nhiệt độ và độ ẩm. Tính toán, thiết kế màng khử phản xạ. Cơ sở lý thuyết Màng L lớp có chiết suất mỗi lớp nj, bề dày mỗi lớp dj và mạ trên đế có chiết suất ns, màng tiếp xúc với môi trường chiết suất nm (Hình 2.1). Hình 2.1. Màng L lớp: từ 1jL, chiết suất mỗi lớp nj, bề dày thực mỗi lớp dj Giả sử màng có L lớp 1jL như hình 2.1 mỗi lớp có chiết suất nj, chiều dày dj, chiết suất của đế ns, chiết suất môi trường tia tới truyền qua là nm, góc tia tới θ, bước sóng của ánh sáng λ. Biên độ hệ số phản xạ r và hệ số truyền qua t được xác định theo các công thức sau: (2.1) Và (2.2) Trong đó: (2.3) , tương ứng là véc tơ điện trường và véc tơ từ trường trong môi trường tia tới, và M là ma trận được tính bởi: M=ML.ML-1MjM2.M1 (2.4) Trong công thức trên thì ma trận Mj là một ma trận cấp 2x2 của lớp màng thứ j của màng: (2.5) Trong đó: (2.6) với njdjcosθj là chiều dày quang học của lớp thứ j với góc khúc xạ là θj. Trong công thức (2.1), (2.3) η đặc trưng cho sự dẫn nạp của đế, môi trường, hoặc các lớp màng được tính theo công thức: (2.7) Phụ thuộc vào bức xạ ánh sáng tới mặt phẳng tới là phân cực song song (p) hay phân cực vuông góc (s). Góc θj có liên hệ với góc tới θ0 theo định luật Snell: nm.sinθ0=nj.sinθj => (2.8) Cường độ hệ số truyền qua và phản xạ được xác định bởi công thức sau: (2.9) (2.10) và pha của hệ số truyền qua và hệ số phản xạ, ΦT và ΦR xác định bởi: ΦT= arg (t ) (2.11) ΦR= arg (r ) (2.12) Đối với vật liệu các lớp là các vật liệu không hấp thụ thì R+T=1. Đối với vật liệu các lớp là các vật liệu hấp thụ có chiết suất thì hệ số hấp thụ A=1 - T - R. Trong đó k là hệ số tắt của vật liệu. Kết quả tính toán Trong bài báo này tác giả tính toán màng khử phản xạ 3 lớp sử dụng cặp vật liệu SiO2/SiO, dải bước sóng trong vùng ánh sáng làm việc λ=4001000 nm. Màng khử phản xạ ba lớp được cấu trúc theo: Air|L HH L|Glass Chiết suất: n1n1, n3<ns (lớp ngoài cùng có chiết suất nhỏ hơn chiết suất của đế, lớp thứ hai có chiết suất lớn nhất, lớp thứ nhất sát đế có chiết suất nhỏ hơn chiết suất đế). Màng 3 lớp SiO2/ SiO/ SiO2 Các thông số đầu vào: chiết suất đế: ns=1,5239; n1=1,46(SiO2); n2=1,95 (SiO); n3=1,46(SiO2), chiết suất môi trường n0=1 Vùng ánh sáng làm việc λ=4001000 nm, bước sóng trung tâm λ0=550 nm. Chiều dày của các lớp màng ; ; Góc tới của ánh sáng chiếu tới θ0=0; Sử dụng phương pháp ma trận ta có kết quả tính toán: θ0=0 Chiều dày của các lớp màng d1=94 nm; d2=141 nm; d3=94 nm Đồ thị hệ số phản xạ của màng khử phản xạ 3 lớp theo tính toán như hình 2.2 dưới đây: Hình 2.2. Đồ thị hệ số phản xạ của màng khử phản xạ 3 lớp SiO2/ SiO/ SiO2 Nhận xét: Từ đồ thị hệ số phản xạ của màng khử phản xạ theo tính toán ta thấy hệ số phản xạ lớn nhất của màng trong dải bước sóng λ=400800 nm xấp xỉ 4,3%. Và có 2 vị trí hệ số phản xạ của màng xấp xỉ bằng 0. Kết quả và thảo luận Bảng công nghệ chế tạo màng khử phản xạ 3 lớp sử dụng cặp vật liệu SiO2/SiO để đánh giá tốc độ bốc bay của màng thể hiện dưới bảng 1. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của tốc độ bốc bay màng đến chất lượng màng mỏng tác giả tiến hành quy trình thực nghiệm trên máy máy bốc bay chân không BOC ADWARDS FL500: trong quá trình tạo màng giữ nguyên các điều kiện công nghệ: chế độ làm việc của súng điện tử (điện áp, cường độ dòng điện), mọi quy trình tiến hành chế tạo như nhau và chỉ tiến hành tạo màng ở các tốc độ bốc bay màng khác nhau để đánh giá sự ảnh hưởng của tốc độ bốc bay tới chất lượng màng mỏng. Bảng 1. Bảng công nghệ chế tạo màng khử phản xạ 3 lớp phụ thuộc vào tốc độ bốc bay khi tạo màng. Cường độ dòng điện Điện áp (kV) Chiều dày màng (nm) Tốc độ bốc bay (A0/s) Áp suất buồng chân không (Torr) Mẫu 1 SiO2 17 9,96 94 0,7 1,73x10-5 SiO 8 9,96 141 0,5 5,38x10-6 SiO2 19 9,96 94 0,6 7,25x10-5 Mẫu 2 SiO2 15 9,96 94 0,5 1,8x10-5 SiO 8 9,96 141 0,4 5,5x10-6 SiO2 18 9,96 94 0,5 7,15x10-5 Mẫu 3 SiO2 19 9,96 94 0,8 1,77x10-5 SiO 8 9,96 141 0,8 5,26x10-6 SiO2 20 9,96 94 0,9 7,2x10-5 Mẫu 4 SiO2 21 9,96 94 1 1,6x10-5 SiO 10 9,96 141 1,1 5,4x10-6 SiO2 22 9,96 94 1 7,3x10-5 Hệ số truyền qua Hệ số truyền qua của màng 3 lớp phụ thuộc vào tốc độ bốc bay Hình 3.1. Phổ truyền qua của màng 3 lớp tại các tốc độ bốc bay khác nhau Kết quả chất lượng màng mỏng quang học phụ thuộc vào tốc độ bốc bay được thể hiện rõ trên hình 3.1a đến hình 3.1d. Từ đồ thị phổ truyền qua của màng ta nhận thấy rằng hệ số truyền qua của màng giảm dần khi tốc độ lắng đọng của vật liệu màng tăng lên. Như vậy khi tốc độ lắn đọng của vật liệu tạo màng tăng làm tăng chiều dày màng dẫn đến độ mấp mô bề mặt của màng tăng lên rất nhiều màng trở nên xốp hơn. Qua đó sẽ ảnh hưởng đến khả năng truyền qua của màng. Từ đồ thị phổ truyền qua ta thấy khi màng được tạo với vận tốc bốc bay của vật liệu là vSiO2 = 0,5A0/s; vSiO = 0,4A0/s; vSiO2 = 0,5A0/s thì hệ số truyền qua lớn nhất của màng là 93,2% trong dải bước sóng từ 400 ÷ 700nm nhưng khi tăng vận tốc bốc bay của vật liệu tạo màng lên vSiO2 = 1A0/s; vSiO = 1,1A0/s; vSiO2 = 1A0/s thì hệ số truyền qua cao nhất của màng giảm xuống còn 91% cũng trong dải bước sóng 400 ÷ 700nm. Độ bám dính Để đánh giá độ bám dính của màng tác giả sử dụng phương pháp rạch. Sau khi màng được rạch ta đưa màng đi quan sát trên kính hiển vi ta có thể xác định được độ lớn của diện tích được rạch trên lớp phủ. Phương pháp kiểm tra này dưới tác dụng của một lực xác định dựa vào chiều dày hay chiều sâu của vết rạch. Đo kích thước của vết rạch để đánh giá độ bền, độ bám dính của lớp phủ. Với phương pháp này thì độ bám dính có thể xác định chính xác hơn khi chiều dày màng là mỏng. Sử dụng mũi rạch bằng kim cương đường kính 10µm, lực rạch là khoảng 10N (100g), sau khi rạch và quan sát trên kính hiển vi sinh học độ phóng đại 16X ta thu được hình ảnh vết rạch trên màng và kết hợp với phương pháp lau bằng bông quang học sau đó quan sát trên kính kiển vi. Hình ảnh các mẫu rạch được thể hiện dưới hình 3.2 Hình 3.2 Vết rạch thể hiện khả năng bám dính của màng 3 lớp tại các tốc độ bốc bay khác nhau Như ta đã biết chiều dày màng quyết định tính chất của màng mỏng. Do đó khi tốc độ lắng đọng tăng làm chiều dày màng tăng qua đó làm cho độ bám dính của màng giảm đi. Trên hình ảnh thể hiện vết rạch của màng ta nhận thấy rằng khi tốc độ lắng đọng màng tăng thì sự bong tróc của màng càng rõ nét và diện tích bong cũng tăng dần. Kết luận Như vậy qua khảo sát thực nghiệm chỉ ra rằng khi tốc độ tạo màng tăng lên thì khả năng truyền qua của màng trong dải sóng nhìn thấy và vùng cận hồng ngoại giảm, độ bền bám của màng cũng giảm theo. Điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết màng mỏng đã chỉ ra. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Định Tường, “Màng mỏng quang học”, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2004. [2] H. Angus Macleod, “Thin-Film Optical Filters”, CRC Press 2010. [3] Michael Bass et al, “HANDBOOK OF OPTICS”, Volume IV Optical Properties of Materials, Nonlinear Optics, Quantum Optics, 2010. Impact of membrane evaporation rate on multi-layer de-reflective film quality using SiO2 / SiO material pairs Abstract. The evaporation rate (deposition velocity) of molecules on the substrate surface directly affects the quality of thin film. The principle of creating thin films is the process of heating for film materials to make materials melt and then evaporate and settle (or not deposit) on the substrate surface in the vacuum. Whether or not it deposits depends on the vapor pressure on the surface. Being in equilibrium means evaporating as much as possible and then settling back to the source. In this paper, I present the results of research on the effects of membrane evaporation speed on the quality of multilayer reflective thin film using SiO2 / SiO material pairs, in the near-infrared, short-wavelength infrared region. Keywords: Thin film evaporation rate, SiO2 / SiO reflective film, optical thin film quality. Họ và tên: Trần Anh Tuấn Nơi làm việc: Phòng 4 – Viện Khoa học và Công nghệ - Bộ Công an Học vị: Thạc sĩ Số điện thoại: 0942921468 Email: anhtuanh56@gmail.com