[发明专利]单元素多层红外高反膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种单元素多层红外高反膜及其制备方法，该膜结构由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成，膜系的基本结构为：S/(HL)^xH/A，其中S为Si基底，H为高折射率的DLC膜，L为低折射率的DLC膜，x为H和L重复镀制的周期数，A为空气。本发明单元素多层红外高反膜有效提高了机械性能、化学稳定性能高、适用范围广；同时，本发明的制备方法简单，易实现，满足大规模工业化生产的要求。

技术领域

本发明属于光学薄膜设计及制备技术领域，特别涉及一种完全由单元素构成的多层红外高反射薄膜。

技术背景

为了获得良好的光学性能和成像质量，光学元件表面一般都需要镀制特定功能的薄膜。单层薄膜能够实现的功能非常有限，根据薄膜光学的基本理论，由两种高、低折射率材料交替组成的多层膜可获得优良的光学性能。因此常用的光学薄膜如宽带减反射薄膜，高反射薄膜，滤光膜，偏振膜等都是用两种（或多种）折射率不同的镀膜材料，交替镀制得到的多层膜结构。

目前用于红外多层膜制备的高折射率材料主要有ZnS、ZnSe等，低折射率材料有MgF₂、BaF₂等，这些材料普遍质地柔软、易吸潮，化学稳定性较差，难以经受风沙、酸雨等恶劣环境的侵蚀。多层膜的不同材料层与层之间往往存在较大的应力，因此常常存在膜料不匹配，附着力差，膜层容易脱落的问题。

另一方面，类金刚石（diamond-like carbon，DLC）薄膜作为一种新型红外镀膜材料，不仅具有高的硬度，而且具有耐磨损、抗腐蚀，同时透明区较宽，光学带隙大的特点，可作为红外元件表面镀膜材料，因此自问世以来就得到了广泛的关注。比如脉冲真空电弧沉积制备的DLC薄膜不仅吸收极小，还具有40-80GPa的硬度，最主要是碳材料具有良好的化学稳定性，不易和酸碱发生化学反应。

由于单层膜无法获得高反射或者滤光特性，而为了充分利用DLC薄膜的高硬度和光学性能，目前的做法是将DLC薄膜作为元件外层保护膜，镀制在红外多层介质减反射薄膜的表面，也就是说，先在基体表面制备多层介质膜，如交替镀制ZnSe/BaF₂多层膜若干个周期后，再在最外层镀制一层DLC膜作为保护层，这样不仅保证了良好的光学性能，还可以有效提高薄膜元件的机械及抗腐蚀特性。

然而，制备在多层介质膜最外部的薄层DLC膜并不能有效提高其机械性能，也无法解决薄膜元件的抗腐蚀性能，同时多层膜中两种材料的匹配，以及膜层总的机械强度并未得到有效改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种单元素多层红外高反膜，不仅能有效提高其机械性能，同时能够解决薄膜元件抗腐蚀的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供了一种单元素多层红外高反膜，由基底和石墨靶材镀制的多层DLC膜构成，膜系的基本结构为：S/(HL)^xH/A，其中S为Si基底，H为高折射率的DLC膜，L为低折射率的DLC膜，x为H和L重复镀制的周期数，A为空气。

进一步的，所述膜系中，x=10~15，x为自然数，其数值越大，对应中心波长处的反射率越高。

进一步的，所述膜系中，每层膜均是由碳元素组成的。

单元素多层红外高反膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）镀前预处理，采用离子束对基片进行清洗和活化处理，所述基片为Si基底材料；

（2）膜层镀制，根据设计的膜层厚度，所述高折射率的DLC膜和低折射率的DLC膜分别采用脉冲电弧和非平衡磁控溅射进行薄膜制备；

（3）后续处理，在真空状态，进行退火处理。