[发明专利]一种金刚石基非晶碳-氧化钇梯度复合增透膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种金刚石基非晶碳‑氧化钇梯度复合增透膜的制备方法，首先将预处理后的金刚石光学晶片材料进行中低温离子束刻蚀清洗处理，在金刚石晶片的上下两面同时依次制备高spsupgt;3/supgt;键含量的四面体非晶碳和低spsupgt;3/supgt;键含量的三维网络非晶碳薄膜；然后对非晶碳薄膜先后进行真空退火去应力和抛光去石墨相大颗粒处理工艺，得到光滑平整表面；最后在处理后的非晶碳薄膜上下表面分别沉积氧化钇薄膜，从而得到金刚石基非晶碳‑氧化钇梯度复合增透膜。本发明综合利用非晶碳过渡层的折射率易调控特性及其与氧化钇复合薄膜高增透的优势，对于降低金刚石与增透膜界面失配，提高金刚石红外增透效果及其红外光学系统应用具有重要意义。

技术领域

本发明涉及一种金刚石基非晶碳-氧化钇梯度复合增透膜的制备方法，属于光学薄膜制备技术领域。

背景技术

红外光学系统（例如红外窗口、头罩、探测、成像等）广泛应用物体的3~5和8~12 μm的红外辐射，红外透过率决定了该系统性能的优劣。随着红外光学系统的应用要求越来越高，减少光学元件表面的反射，提高整个光学系统的红外透过性能己成为研究重点。金刚石具有高红外透过率、低吸收系数、抗热冲击性好、耐磨擦等一系列优异的性能，是用于长波红外波段（8～12 μm）理想的窗口和头罩材料。然而，金刚石理论透过率仅为71%，而实际透过率受制备工艺和表面粗糙度的影响，使其往往低于70%，严重制约了金刚石在光学领域的应用。因此，通过在金刚石表面镀制光学増透膜来降低其表面反射损失成为最关键的问题。

增透膜的选择对金刚石基体增透效果有着重要影响。氮化铝、氧化铪、氧化钇、氧化钕等薄膜常被用作金刚石表面光学增透膜（表面技术，Vol. 49，2020，106~117；金刚石与磨料磨具工程，Vol. 3，2008，10~14），虽然取得了一定的红外增透效果，但在基体-增透膜层结合强度、多波段透过率、折射率等方面存在或多或少的问题，使其在光学领域的工程化应用受到极大限制。按照光学增透膜设计要求，金刚石表面理想的单层增透膜的折射率应与金刚石折射率成平方根关系。氧化钇薄膜的折射率为1.8，理论上能较好的符合金刚石折射率2.38的配比要求，但实际制备过程中由于制备技术和工艺的影响，金刚石表面单层氧化钇增透膜体系的厚度和折射率并不能达到理想状态，同时氧化钇与金刚石基体之间的结合能力影响其实际应用（电镀与涂饰，Vol. 28，2009，32~34），需要在两者之间添加氮化铝、硅等过渡层。因而，研制具有高结合强度、折射率可调的高性能红外増透膜成为光学研究中的重要部分，在军事领域、航空航天和电子产品等领域有着不可或缺的战略意义。

发明内容

本发明旨在提供一种金刚石基非晶碳-氧化钇梯度复合增透膜体系的制备方法，结合非晶碳过渡层的结构可调控特性及其与氧化钇复合薄膜高增透的优势，在金刚石光学晶片两面同时依次制备不同sp³键含量的非晶碳膜和氧化钇薄膜，可以有效调节各层薄膜折射率，降低金刚石与增透膜界面失配，提高金刚石红外增透效果，从而获得高红外透过性能的金刚石基非晶碳-氧化钇梯度复合增透膜。

本发明直接采用金刚石光学级晶片基体，对其表面进行中低温离子束刻蚀处理，可以有效去除表面污染物和部分石墨相，并获得高结合能的表面以提高金刚石与后续增透膜结合强度。另外，非晶碳薄膜是一种由sp²和sp³杂化键混合的亚稳态结构，通过调控非晶碳薄膜中的sp³键含量可以改变其结构和物理化学性能，因而，本发明在金刚石晶片基体表面依次沉积sp³键含量逐渐降低的非晶碳膜和氧化钇薄膜，不仅可以有效调节金刚石与增透膜之间的折射率差异以满足光学增透膜设计要求，同时金刚石与非晶碳之间相同的元素组成能够降低基体与薄膜之间的物性差异以提高后续薄膜在基体表面的结合强度。最后，通过在金刚石晶片基体的上下两面均制备非晶碳-氧化钇梯度复合薄膜，可以获得金刚基双面增透膜系，具有比单面膜系更高的红外增透效果，对于提高金刚石基红外光学系统的使用性能和推广应用具有重要意义。