Đề tài Các loại màng quang học

Các loại màng quang học Bộ môn: Quang học ứng dụng GV Hướng dẫn: TS Lê Vũ Tuấn hùng HV thực hiện: Lê Thị Lụa Tô Lâm Viễn Khoa Dàn ý • Phân loại các loại màng quang học • Các phương pháp tạo màng quang học • Màng chống phản xạ • Màng phản xạ cao • Màng ITO • Màng lọc giao thao I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu • Màng quang học là: • một hay nhiều lớp vật liệu mỏng • phủ trên một thiết bị quang học như thấu kính hay gương (những thiết bị cho phép biến đổi đường đi của ánh sáng phản xạ hay truyền qua) I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu Hiệu quang lộ: Độ phản xạ đế: I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Giới thiệu Ma trận truyền qua: Đối với 1 lớp màng Đối với màng đa lớp Sử dụng nhiều ma trận Mi liên tiếp nhau I. CÁC LOẠI MÀNG QUANG HỌC: Phân loại Màng chống phản xạ Màng phản xạ cao Màng dẫn điện trong suốt Màng lọc giao thoa Phương pháp ngưng tụ vật lý (PVD) Phương pháp ngưng tụ hóa học (CVD) II.CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO MÀNG Physical Vapor Deposition Chemical Vapor Deposition Các hạt vật liệu di chuyển  Các phản ứng hình thành hợp chất (nếu có), xảy ra trên đường đi Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế → Màng  Các hạt vật liệu di chuyển  Một chất khí được đưa vào (precursor)  Các hạt vật liệu ngưng tụ trên đế, phản ứng với chất khí → Hợp chất → Màng Tđế < 5000C Tđế ≈ 900 – 12000C Các phương pháp PVD phổ biến Bốc bay Nhiệt bốc bay Bốc bay chùm điện tử Bốc bay bằng xung laser (PLD) Phún xạ Phún xạ DC Phún xạ RF Phún xạ phản ứng Phún xạ magnetron Quá trình lắng đọng màng 1. Sự chuyển vật liệu bốc bay từ pha rắn sang lỏng rồi thành hơi do nhiệt điện trở 2. Sự di chuyển của nguyên tử từ nguồn đến đế 3. Nguyên tử hấp thụ trên đế kết tụ. 4. Tinh thể hóa màng bằng các thông số quá trình. 5. Phát triển thành màng liên tục Bốc bay nhiệt điện trở Ưu điểm Có thể lắng đọ ở tốc độ cao 0.1  2 nm/s Nguyên tử bay bởi năng lượng thấp (0.1 eV) Tạp bẩn và khí dơ thấp Không gây nhiệt cho đế Đơn giản, không đắt Nhiều vật liệu khác nhau (Au, Ag, Al, Sn, Cr, Ti, Cu) Có thể đạt nhiệt độ 1800oC Dòng điện 200  300 A Giới hạn  Khó kiểm soát hợp chất  Bề dày không đều  Khó lắng đọng ở những hốc sâu  Sự hình thành hợp kim với nguồn vật liệu  Tạp do khí ở dây nhiệt điện trở  Không thích hợp cho bốc bay phản ứng BSubstrate Flux Crucible beam e-gun • Súng điện tử sinh ra chùm điện 15 keV, động năng ở dòng cỡ 100 mA. • Chùm điện tử bị lệch đi 270 từ trường, B. • Nguồn nhiệt nhận được có nhỏ (~5mm) trong vật liệu bay có công suất là 15 kV x mA = 1.5 kW. • Năng lượng này đủ làm nóng hết các vật liệu trên 1000o C • Năng lượng nhiệt được khiển bởi dòng điện tử. Evaporant Bốc bay chùm điện tử Phức tạp hơn bốc bay nhiệt nhưng đa năng Có thể đạt nhiệt độ trên 3000oC Sử dụng nồi bốc bay với đáy bằng Cu ộ lắng động 1  10 nm/s Vật liệu bốc bay Mọi thứ mà nhiệt điện trở sử dụng Cộng với các kim loại sau: Ni, Pt, Ir, Rh, Ti, V, Zr, W, Ta, Mo O3, SiO, SiO2, SnO2, TiO2, ZrO2 Có thể làm nóng chảy vật liệu mà không gây tạp bẩn Hợp kim có thể lắng đọng mà không gây phân ly Thích hợp cho bốc bay phản ứng Ưu điểm của bốc bay chùm điện tử (PLD – Pulse Laser Deposition) + ++ + + + Electron Nguyên tử trung hòa + Ion + Laser  Chùm laser xung công suất lớn được chiếu vào bia.  Bia hấp thu năng lượng laser, nóng lên và bay hơi  Phía trên bia hình thành một vùng không gian chứa plasma phát sáng  Các hạt vật liệu bia ngưng tụ  màng trên đế Các loại phương pháp phún xạ Phún xạ DC Phún xạ RF Phún xạ phản ứng Phún xạ magnetron Trong vùng không gian bên trong buồng chân không, có sẵn một số ion dương + + + + + + + + Áp một điện thế lên bia-đế, ion + “tiến” về bia, e- “tiến” về đế +  Ion + “đánh bật”  Hạt vật liệu ngưng tụ trên đế,  lớp màng. Hệ phún xạ một chiều (DC – Direct Current) Hệ phún xạ xoay chiều (RF – Radio Frequency) cathode là một chiều Bia sử dụng phải dẫn điện phóng Vanode-cathode xoay chiều duy trì Bộ trở kháng và hệ tụ điện Tăng công suất phóng điện Bia sử dụng Có thể cách điện Phún xạ magnetron Từ mô hình phún xạ có thêm hệ magnetron, hệ các nam châm định hướng N-S nhất định ghép với nhau Hệ magnetron được gắn bên dưới bia, dưới cùng là tấm sắt nối từ. e thứ cấp sinh ra từ va chạm giữa ion + và bia, chuyển động đặc biệt trong điện từ trường.  Hệ magnetron cân bằng và không cân bằng Hệ magnetron cân bằng Hệ magnetron không cân bằng Các đường Hệ mag netron không cân bằng, nam châm ở giữa có cường độ yếu hơn Các đường sức trường Từ trường khép kín Các e chịu tác dụng của từ trường ngang e chủ yếu chuyển động gần bia Đế ít bị e va đập Đế ít bị đốt nóng Thích hợp tạo màng cho các loại đế không chịu (hướng vô) Từ trường không khép kín Các e ít chịu tác dụng của từ trường ngang e theo điện trường đến đế với v lớn Đế bị nhiều e va đập mạnh Đế bị đốt nóng Thích hợp tạo các màng yêu cầu T Điện trường ộ dòng (tỉ lệ với tốc độ ion hóa) tăng 100 lần so với phún phẳng suất phóng điện có thể giảm 100 lần ộ lắng đọng tăng 100 lần Trong những năm trước đây màng mỏng kim loại đư bốc bay nhưng bây giờ phún xạ được sử dụng Phún xạ có thể được sử dụng để lắng đọng tất cả các loại chất dẫn điện Chúng ta không thể lắng đọng màng hợp kim bởi ương pháp bốc bay do nhiệt độ nóng chảy của các kim loại khác nhau Phún xạ không làm thay đổi hợp thức Tạp chất trong màng phún xạ thấp Trong bốc bay, tạp chất do vật liệu chứa Sự bao phủ bậc thang tốt hơn Phún xạ được làm từ diện tích mở rộng của target bóng là thấp nhất Đồ đồng đều tương đối cao  Hệ các hạt phân tán, kích thước: 0,1 → 1μm  Lực tương tác giữa các hạt: Van der Waals  Các hạt chuyển động Brown, va chạm nhau Hạt sol Dung dịch đông tụ lại thành keo Sau một thời gian, các hạt sol hút nhau HỆ SOL HỆ GEL Chất ban đầu tạo nên HỆ SOL PRECURSOR Công thức chung: M(OR)x M: nguyên tố kim loại Bước 4: Cuối cùng là quá trình xử lí nhiệt nhiệt phân các thành phần hửu cơ, vô cơ còn lại và tạo nên một màng tinh thể hay vô định hình. Bước 1: Các hạt keo mong muốn từ các phân tử precursor phân tán vào một chất lỏng để tạo nên một hệ Sol. Bước 2: Sự lắng đọng dung dịch Sol tạo ra các lớp phủ trên đế bằng cách phun, nhúng, quay. Bước 3: Các hạt trong hệ Sol được polymer hoá thông qua sự loại bỏ các thành phần ổn định hệ và tạo ra hệ gel ở trạng thaí là một mạng lưới liên tục. Phủ nhúng (Dip Coating) Phủ quay (Spin Coating) Đế được nhúng vào dung dịch sol, sau đó được kéo ra từ từ → màng/đế dmàng phụ thuộc: vkéo, góc kéo, độ nhớt, nồng độ dd,... → Không đều Dung dịch được lên đế và cho đế quay Lực ly tâm → mẫu giọt lan tỏa đều trên đế → màng/đế dmàng phụ thuộc: độ nhớt, vbay hơi, v → Đồng đều và nhược điểm phương pháp Sol – gel: Ưu điểm Nhược điểm thể tạo ra màng phủ liên kết mỏng để mang đến sự dính chặt rất tốt giữa vật kim và màng. thể tạo màng dày cung cấp cho quá trình chống sự ăn mòn. thể phun phủ lên các hình dạng phức thể sản xuất được những sản phảm có độ khiết cao. phương pháp hiệu quả, kinh tế, đơn giản sản xuất màng có chất lượng cao. thể tạo màng ở nhiệt độ bình thường. - Sự liên kết trong màng yếu. - Độ chống mài mòn yếu. - Rất khó để điều khiển độ xốp - Dễ bị rạn nứt khi xử lí ở nhiệt cao. - Chi phí cao đối với những vật thô. - Hao hụt nhiều trong quá trình màng. III. MÀNG CHỐNG PHẢN XẠ: Màng chống phản xạ được dùng để làm giảm sự phản xạ Giảm sự phản xạ trên bề mặt của hệ quang học là cần thiết nguyên nhân chính sau: truyền qua một thành phần quang học chưa được xử hơn 100% vì bị mất mát do phản xạ. Hầu hết các thiết nhiều thành phần quang học này (chưa được phủ chống phản xạ) sẽ có sự truyền qua là rất thấp phần ánh sáng phản xạ tại các bề mặt khác nhau có được mặt phẳng tiêu của thiết bị có thể làm xuất hiện ảnh hoặc các vết nhòe, vì vậy mà hình ảnh của nó không sắc nét đặc biệt đúng trong tivi của rạp chiếu phim nơi mà có khoảng Sự truyền qua của ánh sáng Hệ số phản xạ Hệ số truyền qua : T = 1 - R ( bỏ qua sự hấp thụ và tán xạ ) : Với thủy tinh thông thường ( ns = 1.5 ) Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí ( no = 1 ) R = 0.04  ánh sáng truyền qua 96 % Hệ số phản xạ: Vd: Với thủy tinh thông thường: ns=1,52 Ánh sáng khả kiến truyền từ không khí : n0 = 1 Chiết suất lớp phủ: n1=1,38  R = 0,013  ánh sáng truyền qua 98,7 % Phủ 1 lớp vật liệu trên bề mặt thủy tinh sẽ làm giảm hệ số phản xạ. Chiết suất tốt nhất cho lớp phủ : VD : lớp phủ lên bề mặt thủy tinh cần có chiết suất n1 = ( 1.5 ) 1/2 = 1.225 - Không có vật liệu có chiết suất phù hợp chính xác.  Thông thường chọn MgF2 ( n1 = 1.38 ) với n1: chiết suất của lớp màng n0 và nS là chiết suất của hai môi trường Khi đó tia tới sau khi phản xạ ở 2 mặt phân cách sẽ giao thoa triệt tiêu với nhau do ngược pha nhau.  Tất cả ánh sáng sẽ được truyền qua . ( trường hợp lý tưởng ) Giả sử có thể điều khiển chính xác độ dày lớp phủ ( λ/4 )  gọi là lớp phủ ¼ ( quarter-wave coating ) Thực tế, cường độ ánh sáng sẽ thay đổi khi qua lớp phủ. Độ dày lớp phủ : λo/4n Với λo : bước sóng ás trong chân không Màng chống phản xạ đơn lớp chống phản xạ ở bước sóng giữa vùng khả kiến Vật liệu màng là các chất điện môi chiết suất thấp : MgF2, Na3AlF6, CaF2, LiF2 Ưu điểm : - Dễ chế tạo -Dễ kiểm soát bề dày - giá thành thấp, tính lặp lại cao, dễ thực hiện. Hạn chế: vùng hoạt động hẹp, khó tìm thấy vật liệu chiết suất thấp bền. Màng chống phản xạ hai lớp chống phản xạ với toàn vùng phổ khả kiến. Lớp ngoài : chất điện môi chiết suất thấp, bền với môi trường ( MgF2, Na3AlF6 , CaF2) : n1 Lớp thứ hai : chất điện môi chiết suất cao, có độ bám tốt với đế thủy tinh ( ZnO, TiO2, CeF3, ThO2) : n2 > n3 Ưu điểm : - Cho hệ số phản xạ thấp hơn so với màng đơn lớp -có nhiều sự lựa chọn vật liệu hơn, tinh vi hơn, dễ sản xuất Hạn chế: vùng hoạt động hẹp. Màng chống phản xạ ba lớp Hệ số phản xạ R rất nhỏ : < 0.1% - 0.01% trong suốt dãy rộng bước sóng ánh sáng. - Màng chống phản xạ hai lớp chỉ cho hệ số phản xạ bằng 0 tại một bước sóng và dãi bước sóng có hệ số phản xạ thấp còn giớ hạn - Màng chống phản xạ 3 lớp cho hệ số phản xạ bằng 0 tại 2 bước sóng và dãi bước sóng có hệ số phản xạ thấp rộng hơn ứng dụng : Trong kính đeo mắt người ta phủ nhiều lớp chống phản xạ để giảm ánh sáng rơi trên bề mặt của kính. như điện thoại di động, màn hình máy tính LCD, màn hình của những thiết bị này được phủ màng chống phản xạ để dễ nhìn phần hiển thị trên màn hình Màng phủ chống phản xạ cũng được sử dụng trong các bảng điện của thiết bị máy bay giúp cho phi công dễ dàng đọc các thông tin trên bảng điện dưới ánh sáng ban ngày mà không bị nhòe. Màng chống phản xạ cũng được sử dụng trong công nghiệp ô tô để làm các bảng điện trong xe hơi cao cấp - Thấu kính trong máy ảnh, kính hiển vi, kính viễn vọng, ống nhòm, đầu đọc DVD, và một số lăng kính trong các thiết bị này - Pin mặt trời : phủ lớp chống phản xạ cho phép giữ lại ánh sáng chiếu tới ở mọi góc độ. IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR) Màng Kim loại Màng Điện môi Au, Al, Ag... TiO2, SnO2, MgF2 IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại Nguyên tắc: Một số kim loại có độ phản xạ cao đối với một vùng bước sóng. KIM LOẠI ĐỘ PHẢN XẠ VÙNG PHẢN XẠ Al 88 - 92 % ánh sáng khả kiến Ag 95 - 98 % hồng ngoại < 90 % tử ngoại IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại Phương pháp tạo màng: (tráng gương) Đế thủy tinh (gương) Miếng nhôm bị đốt nóng do Sử dụng các PƯHH C6H12O6 (dd) + Ag2O (dd) --- (NH3 C6H12O7 (dd) + 2Ag (r) Phương pháp bốc bay IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại Ưu điểm: Đơn giản, dễ chế tạo. Rẻ tiền. Hạn chế Không bền, dễ hư hỏng. Độ phản xạ ở các vùng tử ngoại không cao. IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Kim loại Ứng dụng: Gương IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi Nguyên tắc: Gồm hai lớp màng chiết suất khác nhau được đặt xen kẽ với nhau. Lớp chiết suất cao thường là: ZnS (n = 2,32), TiO2 (n = 2,4) Lớp chiết suất thấp thường MgF2 (n = 1,38), SiO2 (n = 49) Chiết suất đế thủy tinh là 1,5 IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi Nguyên tắc: - Bề dày của mỗi lớp thường là 1/4 bước sóng tới (λ/4). - Phản xạ tại mỗi mặt tiếp giữa hai lớp HL, hiệu quang tăng thêm 1/2 bước sóng triệt tiêu như trường hợp AR - Do sự phản xạ tại lớp H- ra độ lệch pha sai khác 180 với lớp L-H --> sóng giao không bị triệt tiêu mà còn tăng cường. IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi Ưu điểm: Cho độ phản xạ cao, có thể lên đến 99,99%Việc chế tạo đơn giản, giá thành không quá đắt. Hạn chế: Chỉ cho độ phản xạ rất cao đối với một dải bước sóng hẹp nào đó. Ngoài khoảng này thì độ phản xạ không quá cao. IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi Ứng dụng: Định hướng laser Kính viễn vọng Đĩa CD Màn hình gương IV. MÀNG PHẢN XẠ CAO (HR): Màng Điện môi Ứng dụng: Thường được sử dụng trên các hình LCD thế hệ mới. điểm: độ tương phản cao, rõ, màu sắc rực rỡ, góc rộng Hạn chế: dễ bị chói, bị ảnh ma sử dụng ở vùng quá sáng ánh sáng rối. Màn hình gương IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng TCO • Màng dẫn điện trong suốt được sử dụng làm lớp phủ dẫn điện hoặc giải phóng các điện tích được tích tụ. • Đặc điểm: • Độ truyền qua cao • Phản xạ hồng ngoại cao • Độ dẫn điện cao • Vật liệu được dùng thường là: SnO2 ZnO... IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Sự dẫn điện: - Sn pha tạp vào sẽ thay thế In3+ tại b và d. - Sự thiếu Oxi trong cấu trúc màng ---> mật độ điện tử tự do tăng cao IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Phương pháp: Phún xạ magnetron bằng dòng 1 chiều Bia gốm ITO với thành phần In2O3 + 10 % SnO2Khoảng cách bia-đế: 5 cm Khí làm việc chính là Ar (độ tinh khiết 99.999 % )Áp suất nền trước khi tạo màng 4x10-6 torr Áp suất khí làm việc điển hình khoảng 3 x 10 torr.Công suất 50 WĐộ dày trên 300 nm đến 600nmNhiệt độ tinh thể hóa của màng ITO trên 1500c IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Phương pháp: Phún xạ magnetron bằng dòng 1 chiều Độ truyền phụ thuộc vào cấu trúc cũng như hình thái mặt màng ( độ truyền qua giảm khi độ dày màng tăng ) IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Ưu điểm: - Độ dẫn điện cao. - Độ truyền qua cao. - Độ bám đế tốt, độ rắn cao - bề mặt gồ ghề - có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp - công thoát của ITO chỉ khoảng 4,5-4,8 eV - sau khi được chế tạo, màng ITO đòi hỏi phải được xử lý nhiệt để nâng chất lượng. Tuy nhiên , không phải đế nào cũng chịu được nhiệt độ cao Hạn chế: IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Ứng dụng: Điện cực trong suốt trong các màn hình mặt trời màng mỏng công nghệ màn hình phẳng (FPD) -ốt phát quang hữu cơ (OLED) Hình Hình IV. MÀNG DẪN ĐIỆN TRONG SUỐT: Màng ITO Ứng dụng: OLED WF(ca) + _ Đế thủy tinh Cathode Anốt HIL/HTL EML ETL/EIL Anốt HIL/HTL EML ETL/EIL Chân không WF(anốt) EA IP LUMO HOMO cathode OLED đa lớp V. MÀNG LỌC GIAO THOA Nguyên tắc: Dựa trên nguyên tắc tương như AR và HR Phủ một hoặc nhiều lớp màng mỏng lên bề mặt thủy --> tăng cường hoặc làm tiêu một số bước sóng --> màu V. MÀNG LỌC GIAO THOA Ưu điểm: Lọc màu sắc tốt hơn, có thể lọc được các ánh ngoài vùng khả kiến. Giữ được cường độ sáng cao, ít hao phí do nhiệt Hạn chế: Giá thành cao Làm bằng thủy tinh nên dễ vỡ V. MÀNG LỌC GIAO THOA Ứng dụng: Kính lọc dùng trong máy ảnh, màn hình ti vi: loại bỏ những sáng tử ngoại, hồng ngoại không cần thiết, gây hại. Sử dụng trong công nghệ cáp quang: lọc lựa những bước sóng cần thiết để truyền đi hay tách thành các sóng cần thiết