利用電子束蒸鍍方法在單晶硅和石英玻璃上制備了摻不同Y₂O₃濃度的摻釔穩(wěn)定ZrO₂薄膜( YSZ) ,用X 射線衍射、原子力顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射光譜測定薄膜的結(jié)構(gòu)、表面特性和光學性能,研究了退火對薄膜結(jié)構(gòu)和光學性能的影響。結(jié)果表明:一定濃度的Y₂O₃摻雜可以使ZrO₂薄膜穩(wěn)定在四方相,退火顯著影響薄膜結(jié)構(gòu),隨著溫度的升高薄膜結(jié)構(gòu)依次經(jīng)歷由非晶到四方相再到四方和單斜混合相轉(zhuǎn)變;AFM分析顯示薄膜表面YSZ顆粒隨著退火溫度的升高逐漸增大,表面粗糙度相應增大,晶粒大小計算表明,退火溫度的提高有助于薄膜的結(jié)晶化,退火溫度從400 ℃到1100 ℃變化范圍內(nèi)晶粒大小從15.6nm增大到46.3nm;同時利用納秒激光對薄膜進行了破壞閾值測量,結(jié)果表明電子束蒸鍍制備YSZ薄膜是一種制備高抗激光損傷鍍層的有效方法。

　　ZrO₂是近來研究較為熱門的光學鍍膜材料,具有折射率高、光譜透明范圍寬、對可見光和紅外波段都有低吸收和低散射等優(yōu)點,同時化學穩(wěn)定性好、熱導率低,尤其這種材料具有很強的抗激光損傷能力,可以大幅提高激光器的輸出功率和能量,對于激光加工、國防軍事、科學研究等方面具有重要研究價值。眾多研究表明,ZrO₂存在單斜、四方和立方三種晶型,低溫制備的ZrO₂多為單斜結(jié)構(gòu),單斜晶由于具有導熱系數(shù)低和韌性差等特點,限定了它的應用。顯著影響ZrO₂力學和光學性能的是四方和立方晶型,但氧化鋯晶型相變過程中伴隨著體積變化,致使薄膜存在較大應力容易破裂,可以通過摻雜少量的Y₂O₃起到晶型穩(wěn)定和改善薄膜光學性能的作用。研究YSZ薄膜的制備工藝、表面質(zhì)量、雜質(zhì)缺陷等特性,進而探討薄膜性質(zhì)同光學性能的關(guān)系,對于研究新型光學功能薄膜也具有很大意義。

　　電子束蒸鍍法具有大面積成膜,沉積速率高,膜基附著力好,結(jié)構(gòu)致密,可以獲得高純膜等優(yōu)點,在制備高抗損傷光學薄膜方面存在很大的優(yōu)勢,迄今為止已有一些ZrO₂ 薄膜抗光學損傷的研究報道,但有關(guān)薄膜退火后晶體性質(zhì)的改變對激光損傷閾值的影響還鮮有涉及。本文中,我們利用電子束蒸鍍方法制備了不同摻釔濃度的YSZ薄膜,并經(jīng)不同的溫度退火(400、600、800、1100 ℃) , 采用XRD、AFM、UV-VIS等手段研究了退火對YSZ薄膜晶體結(jié)構(gòu)和表面特性的影響,進而對薄膜進行了納秒激光損傷試驗,根據(jù)ISO11254-1激光損傷測試標準對光學破壞閾值進行了測量。

1、實驗

　　薄膜制備是在DM700 鍍膜機上自行設(shè)計加裝E型電子槍后完成,采用擴散泵獲得高真空,本底真空為9 ×10^-4Pa 。電子加速電壓固定在6kV ,沉積速率和蒸發(fā)功率通過改變電子束流大小來控制,電子槍和樣品臺的距離為300mm。YSZ塊體購自北京有色金屬研究總院,Y₂O₃摻雜含量分別為0,5% ,10% ,15%四種,采用石英玻璃做襯底用于光學透過率測量,單晶硅做襯底用于薄膜結(jié)構(gòu)和形貌分析以及激光損傷實驗。蒸鍍前襯底經(jīng)丙酮、去離子水、乙醇溶液各超聲清洗15min ,然后氮氣吹干。實驗中蒸鍍氣壓隨著電子槍功率增大而增加,當電流范圍在120mA～180mA 之間時,相應氣壓從2.3 ×10^-2Pa 升高到4.1 ×10^-2Pa ,蒸鍍過程中樣品臺伴隨一定程度的溫升,溫度大約為80℃。隨后樣品在大氣環(huán)境下經(jīng)不同溫度退火。

　　薄膜晶體結(jié)構(gòu)用理學D/Max2000PC 型X 射線衍射儀檢測(XRD) ,管壓40kV ,管流20mA ,掃描速度4°/min ;采用GBC2Cintra303 型紫外可見分光光度計測量薄膜透過率;應用本原納米公司SPM4000 型原子力顯微鏡進行薄膜表面形貌和粗糙度分析;薄膜厚度用Kla2Tencor2P16 臺階儀測量,臺階通過在玻璃襯底上設(shè)置掩模板制備;用島津SS50 型掃描電子顯微鏡進行激光損傷后薄膜表面分析。

　　激光損傷實驗根據(jù)ISO112542I : 12ON21 標準進行,即在樣品上每一點僅進行一次光照射,實驗裝置示意圖如圖1 ,采用閃光燈抽運的Cr4 + :YAG被動調(diào)QCe 、Nd 雙摻Y(jié)AG 激光器, 頻率1Hz , 輸出波1064nm ,脈寬10ns ,最大能量30mJ ,能量不穩(wěn)定度小于±5 % ,激光光斑半徑定義為從光斑中心到激光能量下降到峰值能量的1/ e² 處的距離。激光能量調(diào)節(jié)通過改變兩片偏振片的偏轉(zhuǎn)角度實現(xiàn),經(jīng)透鏡聚焦后入射樣品表面,透鏡焦距80mm。在樣品上每隔2mm進行一次激光照射,并把經(jīng)激光照射后輻照光斑最初出現(xiàn)的位置定義為破壞。實驗中利用氦氖激光器進行光路準直和損傷定位,損傷效果用CCD 實時監(jiān)測。

圖1 　納秒激光損傷實驗示意圖

　　限于篇幅，文章第二章節(jié)的部分內(nèi)容省略，詳細文章請郵件至作者索要。

3、結(jié)論

　　采用電子束蒸發(fā)法制備了摻雜不同Y₂O₃濃度的YSZ薄膜,研究了摻雜濃度和退火對薄膜結(jié)構(gòu)和光學特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)一定范圍的摻雜可以使薄膜穩(wěn)定于四方相,退火對薄膜結(jié)構(gòu)和表面形貌有很大影響,高溫退火使薄膜結(jié)晶程度增強,晶粒尺寸顯著增大。退火引起的晶界增多,增大了薄膜中的光散射作用,使得薄膜光透過率下降,但影響不明顯。對不同溫度退火后的樣品進行了激光損傷實驗,發(fā)現(xiàn)經(jīng)400 ℃退火后的YSZ 薄膜激光損傷閾值最高,達到13.5J/cm² 。