薄膜折射率的决定因素

2020-04-23

良好的介电质薄膜必须能满足以下几种条件:透明度高,吸收小;稳定的折射率;堆积密度高;散射小;均匀的材质;良好的机械附着力,硬度及应力;化学性稳定,受环境影响小以及辐射能的承受量高。


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折射率薄膜的折射率决定于好几种因素,包括组成膜的化学元素、构成膜的晶态、成膜的晶粒大小及堆积密度以及膜的化学成分。


一、与组成膜的化学元素有关

折射率是价电子在电场中极化的表现。若元素外层的电子容易被极化,则其n必高,所以对于单元素材料来说,原子量越大折射率越高。例如:在4000nm时,碳为2.38,矽为3.4,锗为3.4。对于化合物材料来说,共价键者有较高的折射率,因为共价键化合物的离子性小易被极化。


二、与构成膜的晶态有关

在不同的蒸镀条件下,薄膜的晶态会不同,因而造成了不同的折射率。例如二氧化钛在基板Ts=20℃-350℃间,折射率从1.9变到2.3(@500nm)。又如二氧化锆在基板Ts=20℃-350℃。折射率从1.7变到2.05(@500nm)。


三、与成膜的晶粒大小及堆积密度有关

组成膜层的晶粒大小及堆积密度会影响膜层的折射率。而影响膜层的晶粒或大或小,堆积密度或紧或松与基板温度Ts,蒸镀时的气压P有关。一般来讲,温度越高,气压越低则晶粒越大,堆积密度越高,因而n越大,常见的例子是氟化镁(MgF2)膜。(下图是MgF2的Ts与n特性说明)


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其他例子如氧化物膜:二氧化钛,五氧化二钽,氧化铈,氧化铝等也是如此。但若用离子源辅助镀膜或离子束溅射镀等则可能使薄膜成为非晶态。此时虽无晶粒或晶粒非常小,但因堆积密度甚高,所以这种膜的折射率反而更高。


四、与膜的化学成分有关

在蒸镀过程中材料的化学成分有时会分解,然后再结合,因此会造成化学成分的变化。例如冰晶石蒸镀成膜后的折射率可从1.30到1.38,原因是冰晶石Na3AlF6分解成NaF及AlF3。其中NaF的折射率为1.29-1.34,而AlF3的折射率是1.385。

另一个例子是SiOx薄膜,x=1的n=1.9,x=1.5,n=1.55,x=2,n=1.45。而SiNx薄膜,x=0,n=3.5,x=1.33,n=1.72


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