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
60 trang |
Chia sẻ: duongneo | Lượt xem: 1925 | Lượt tải: 4
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Đề tài Các loại màng quang học, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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