淺析新型光學薄膜玻璃材料的設計與制備進展

王浩然

摘 要：隨著科學技術的不斷創(chuàng)新完善，社會電子行業(yè)、汽車行業(yè)以及航空行業(yè)得到進一步發(fā)展，原有玻璃材料已經(jīng)無法滿足它們的需求。要想在競爭激烈的經(jīng)濟市場始終占據(jù)一席之地，就必須不斷提升自身的核心競爭力，引進應用最為先進的功能性平板玻璃材料。因此，社會各界人士開始高度關注和重視新型光學薄膜玻璃材料的設計、制備技術方面的研究工作，高性能薄膜玻璃材料的開發(fā)設計工作直接關系到未來社會科學和材料的發(fā)展。該文將進一步對新型光學薄膜玻璃材料的設計與制備展開分析與探討。

關鍵詞：新型光學薄膜 玻璃 材料設計 制備技術

中圖分類號：TQ171 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）02（a）-0058-02

當前是一個經(jīng)濟全球化的時代，玻璃材料行業(yè)的發(fā)展要與時俱進，跟上時代前進的腳步。玻璃作為人們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常見到的重要材料，被廣泛應用在各個行業(yè)領域中，發(fā)揮著重要的作用。隨著時間的不斷推移，現(xiàn)代玻璃產(chǎn)品的材料功能變得越來越多樣化，新型玻璃材料功能不僅僅能夠滿足市場材料的基本透光性，還可以保障材料的環(huán)保節(jié)能性?；谏锛夹g、電子技術、通信技術等新興技術的創(chuàng)新發(fā)展背景下，市場不同行業(yè)對于玻璃材料性能要求也隨之發(fā)生變化，新型光學薄膜玻璃材料的設計制備已經(jīng)成為了玻璃行業(yè)的主要發(fā)展趨勢之一。

1 光學薄膜玻璃材料的設計技術

1.1 建立完善的材料知識庫和數(shù)據(jù)庫技術

當前全球玻璃材料數(shù)據(jù)庫不斷向著智能化、網(wǎng)絡化以及商業(yè)化的方向發(fā)展。比如，智能化技術的發(fā)展有效實現(xiàn)將材料數(shù)據(jù)庫成功轉化為專家系統(tǒng)；計算機網(wǎng)絡則是把相互之間獨立存在的數(shù)據(jù)庫通過網(wǎng)絡形式形成一個統(tǒng)一系統(tǒng)。應用材料數(shù)據(jù)知識庫設計玻璃材料的典型例子，就是日本金屬協(xié)會成員三島良績等人有效創(chuàng)建出計算機輔助合金設計系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)去創(chuàng)新研發(fā)新型玻璃材料?，F(xiàn)代玻璃薄膜行業(yè)已經(jīng)形成了國家級的標準組織，該組織專門去收集整理來自世界各地的玻璃樣品數(shù)據(jù)，從而為整個行業(yè)提供相關優(yōu)質(zhì)服務[1]。

1.2 計算機仿真技術在光學薄膜玻璃材料設計中的應用

材料企業(yè)通過科學應用計算機仿真模擬技術，能夠有效開發(fā)出各種材料合成路線，幫助企業(yè)獲取想要的目標材料，這樣有利于設計人員去充分掌握了解到這些材料的具體結構，是當前設計光學薄膜玻璃材料最為有效的方法之一。

2 光學薄膜材料設計在玻璃材料領域的應用

2.1 玻璃性能、成分以及結構設計預測

設計工作人員通過使用先進的材料設計軟件，能夠合理改變玻璃材料成分和結構，從而控制其性能，隨時可以獲取到自身想要的玻璃材料，比如，J.De Bonfils等人應用分子動力學方法準確推算出了摻雜Eu3+的硼硅酸鹽玻璃結構，同時還預測出了其熒光光譜。同樣，在設計光學薄膜玻璃材料時，工作人員也可以使用材料設計軟件去改變玻璃成分，計算出光學玻璃的實際結構特性。

2.2 玻璃光學膜材料的設計和性能預測

相關工作人員可以通過利用材料設計方法有效開發(fā)設計出不同功能的玻璃新膜層材料，當前玻璃材料研究人員已經(jīng)在窗玻璃表層涂抹光電薄膜材料，這樣不僅能夠確保玻璃的透光功能，還實現(xiàn)了新的發(fā)電功能。根據(jù)相關研究機構的摻雜過渡族元素離子半徑對SnO2薄膜光學性能影響實驗結果顯示，摻雜后的薄膜體系更為穩(wěn)定，并且SnO2顯現(xiàn)出了不同光學性質(zhì)，能夠被設計人員用來開發(fā)出新的產(chǎn)品性能[2]。

3 新型光學薄膜玻璃材料的制備技術

3.1 濺射制備技術

濺射法技術作為傳統(tǒng)剛學薄膜材料制備技術，其工作原理是使剩余氣體分子在強電場作用下發(fā)生電離，電離釋放的正離子在電場作用下向陰極反向作高速運動，成功擊到陰極表面后，將自身能量傳遞給位于陰極表面上的濺射靶子，只是靶子表面分子淀積在基體上形成制備人員所需要的薄膜。相較于一般的陰極濺射法不同，新的高頻濺射法通過在兩極之間融入高頻電壓，促使上半周吸附于極面的電荷在下半周時開始釋放。高頻濺射法被廣泛用來淀積各種電介質(zhì)材料，此膜結構較為緊密，被普遍用來制備光學膜。

3.2 電阻加熱蒸發(fā)技術

材料市場中大多數(shù)的化合物材料往往只能通過使用間接蒸發(fā)的方式。工作人員通過使用一個裝有并加熱材料的蒸發(fā)源。合理蒸發(fā)源主要包括了三個不同要求：蒸發(fā)源材料與薄膜材料的反應、蒸發(fā)源材料的蒸氣壓和熔點以及薄膜材料的濕潤性。其中最為常用的方法是通過使用高熔點的材料當做加熱器，其相當于一個電阻，在電力流過后產(chǎn)生熱量，電阻率會開始慢慢增加，當溫度達到1 000 ℃時蒸發(fā)源的電阻率為冷卻時的4～5倍，加熱器產(chǎn)生的焦耳熱足以使蒸發(fā)材料的分子或者原子獲取充足的動能而發(fā)生蒸發(fā)現(xiàn)象。電阻加熱蒸發(fā)制備技術的優(yōu)勢在于制備設備簡單、易操作，可以有效實現(xiàn)薄膜玻璃材料的淀積過程自動化，缺點在于很難避免蒸發(fā)源對膜料造成污染[3]。

3.3 電子槍式技術

電子槍式制備技術的工作原理是當金屬處于高溫狀態(tài)時，其內(nèi)部存在一些電力由于獲得充足能量而釋放出工作過程，這就是熱電子發(fā)射現(xiàn)象，只要通過向其施加一定的電場，電子在電場中會向陽極方向發(fā)生移動，高度運動狀態(tài)下的電子流在電磁場作用下，會主動形成細束轟擊被鍍材料表面，從而促使薄膜材料的蒸發(fā)。電子槍結構存在著很多形式，材料市場中應用較為普遍的是磁偏轉e形槍，其能夠有效克服二次電的影響。從燈絲發(fā)射的熱電子經(jīng)過陽極與陰極間的高壓電場加速并且聚焦，然后再由磁場促使其發(fā)生偏轉達到坩堝蒸發(fā)材料表面。因為蒸發(fā)薄膜材料與陽極是處于分開狀態(tài)的，獨立存在于磁場中，所以二次電子會因為受到磁場作用而發(fā)生二次偏轉，這樣也就最大程度減少了向基板發(fā)射的概率。

例如：在光學薄膜制備過程中，首先要找到合適的材料，通過利用高溫氧化物（如TiO2、Y2O3），這些氧化物能夠與SiO2匹配起來，從而制成光學性能良好的高反膜、減反膜以及偏振分光膜。而HfO2作為最佳高折射率材料，具備了偏低的吸收系數(shù)，在制備分光膜過程中，能夠承受較高的損傷閥值。HfO2薄膜通過用電子束加熱蒸發(fā)進行反應離子輔助淀積和低能反應離子輔助淀積法來制備。為了控制好光學薄膜的厚度，保障其良好的功能特性，可以采用石英晶體微量平衡法，通過利用儀器直接驅動蒸發(fā)源，在PID控制循環(huán)驅動擋板的作用下，維持正常的蒸發(fā)速率，制備人員只需要把儀器與系統(tǒng)控制軟件有效連接在一起，就能夠順利完成整個鍍膜過程。

4 結語

綜上所述，材料設計作為現(xiàn)代重要技術手段，被廣泛應用在現(xiàn)代光學薄膜玻璃材料設計工作中。高強度光學薄膜薄材料的制備具有更高的抗激光強度，通過采用現(xiàn)代激光預處理技術，能夠最大化提高光學薄膜元件的LDT值。設計人員也可以通過使用計算機膜系設計出優(yōu)化軟件，成功設計出低損耗、利于制備的膜系。

參考文獻

[1] 趙青南，董玉紅，趙杰，等.減反射可見光與反射近紅外線雙功能鍍膜玻璃[J].材料科學與工程學報，2012，30（1）：6-8.

[2] SHI Z，CUI Y-Z，HUANG S，et al.Dipolar Chromophore Facilitated Huisgen Cross-Linking Reactions for Highly Efficient and Thermally Stable Electrooptic Polymers[J].ACS Macro Letters，2012，1（7）：793-796.

[3] 趙聯(lián)波，劉芳洋，鄒忠，等.Zn靶與摻鋁ZnO靶共濺射制備ZnO：Al薄膜及其性能[J].中國有色金屬學報，2012，22（4）：1119-1124.