一种兼具可见光近红外增透和特殊浸润性功能薄膜的物理制备方法
【专利摘要】一种兼具可见光近红外增透和特殊浸润性功能薄膜的物理制备方法，其通过使用电子束蒸发进行。通过选择合适的材料及工艺，在不降低透过率的情况下，实现其防雾(自清洁)功能。本发明的方法操作简单、无污染、容易达到规模生产。
【专利说明】一种兼具可见光近红外増透和特殊浸润性功能薄膜的物理 制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及功能薄膜的物理制备方法，具体涉及到一种电子束蒸镀的方法制备兼 具可见光近红外增透和特殊浸润性功能薄膜。
【背景技术】
[0002] 透光性和表面浸润性是材料的两个重要特性，其在防水、防结雾、自清洁以及透光 等方面有着重要的应用价值。如今，光学材料正向着增透、自清洁、防结雾、高硬度等方向 发展，制备同时兼具高的透光率和特殊浸润性的材料是目前国内外相关领域研宄的热门课 题。
[0003] 迄今为止，对于具有特殊浸润性或高透光率材料的制备已有较多文献报道。报道 中主要提到的是采用层层自组装、模板、化学刻蚀、溶胶-凝胶等方法制备。但是，传统化学 方法处理程序复杂，制备速度慢，周期长，且制作薄膜的理化性能较差，直接影响薄膜的应 用。因此，寻求物理途径制备出具有特殊浸润性和高透光率的材料具有更加重要的实际意 义。
[0004] 近年来，已有少量报道采用物理途径制备特殊浸润性材料。如采用化学刻蚀、真空 镀膜和化学修饰相结合的方法制备兼具高透明性和超疏水性的光学镜片；采用一定强度的 激光福照可使ZnO、SrTiO 3等光致亲水，而ZrO 2呈现单一的超疏水状态。此外，采用射频磁 控溅射和直流磁控溅射两种方法制备TiON，接触角为97?110°，薄膜的透过率为70%? 80%。由此可见，采用物理气相沉积方法制备兼具高透明性和特殊浸润性功能薄膜是完全 可行的，其性质改变机制值得深入研宄。而且制备全程都在高真空下进行，操作简单、无污 染、并且容易达到规模生产。
[0005] 近年来，兼具优异光学性能和特殊浸润性的功能薄膜材料的需求还在进一步增 大，因此，更多途径的制备兼具优异光学性能和特殊浸润性的功能薄膜材料不仅具有重大 的科学意义，而且具有十分重要的实际意义，应用前景十分广泛。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种采用物理方法在透明基底上镀制兼具高透明和特殊 浸润性的功能薄膜。本发明的方法操作简单、无污染、容易达到规模生产。
[0007] 为达上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种兼具可见光近红外增透和特殊浸润性（即具有疏水或亲水性）功能薄膜的物 理制备方法，其通过使用电子束蒸发镀膜方法进行。
[0009] 作为优选，所述方法包括如下步骤：
[0010] (1)将膜料置于电子束蒸发设备中的坩埚内作为蒸发源；
[0011] (2)将衬底片安装在工件架上，选择中心波长，用TFC软件设计满足光谱要求的膜 系；
[0012] (3)在电子束蒸发镀膜机中真空下用石英灯加热衬底，并将（2)设计好的膜系程 序输入镀膜机软件中；
[0013] (4)根据设计膜层的顺序和各层厚度采用电子束蒸发的镀膜方式依次自下而上蒸 发，各层厚度和镀膜速率由石英晶振仪在线检测。
[0014] 本发明通过选择合适的材料，用TFC软件设计光学薄膜，并根据特定的功能增加 适当的外层材料，使其能同时满足光谱（可见光到近红外）及亲（疏）水要求。
[0015] 作为优选，步骤（l)中所述膜料为MgF2或YbF3、Y 203、Si02中的l种或两种以上，优 选为99. 9%以上的MgF2、Y2O3、或SiO^的一种或两种以上。
[0016] 优选地，所述坩埚为石墨坩埚。
[0017] 作为优选，步骤（2)中所述衬底为普通玻璃片或者K9玻璃。
[0018] 优选地，所述衬底经过清洗。
[0019] 优选地，所述清洗方法为：用去离子水、丙酮和异丙醇依次分别超声清洗，用去离 子水充分漂洗吹干。
[0020] 优选地，所述超声清洗的时间各为3min以上，优选为5-20min。
[0021] 优选地，所述吹干使用N2进行。
[0022] 作为优选，步骤（3)中所述真空的真空度为小于6X l(T6t〇rr，优选为 1-5 X lCr6tor;r〇
[0023] 优选地，所述加热的温度为100-200°C，优选为150°C。
[0024] 作为优选，步骤（4)中电子束蒸发时的电压为5-15KV，优选为10KV。
[0025] 优选地，电子束蒸发时MgFd^镀率为1-5人/s，优选为3人/s，电子枪束流8? 13mA〇
[0026] 优选地，电子束蒸发时Y2O3的镀率为0. 5-2人/s，优选为I A/S，电子枪束流190? 205mA。
[0027] 优选地，电子束蒸发时SiO^镀率为1-3 A/S，优选为1. 5 土/s，电子枪束流70? 80mA。
[0028] 本发明以普通玻璃片或K9玻璃为基底，工艺自下而上依次为K9玻璃或普通玻璃 片（1)、减反层（2)、亲水（疏水）层（3)、空气层（4)，如图1所示，所述减反层（2)，选择合 适的低折射率和高折射率材料，采用TFC软件设计层数及厚度，交替镀制而成，所述（3)作 为最外层要具备亲水或疏水效果，通过选择合适的材料及工艺，在不降低透过率的情况下， 实现其防雾（自清洁）功能。
[0029] 本发明采用电子束蒸镀的方法，避开了传统化学方法处理程序复杂，制备速度慢， 周期长，且制作薄膜的理化性能较差等弱点，采用纯物理方法，全程在高真空状态下进行， 污染少、成本低、容易操作，生长过程容易控制，且易于实现规模化生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的光学镜片膜堆示意图；
[0031] 图2为实施例1镀制薄膜前后光谱曲线对比图；
[0032] 图3实施例1镀制薄膜后表面水接触角图；
[0033] 图4实施例2镀制薄膜前后光谱曲线对比图；
[0034]图5实施例2镀制薄膜后表面水接触角图；
[0035] 图6实施例3镀制薄膜前后光谱曲线对比图；
[0036] 图7实施例4镀制薄膜后表面水接触角图。
【具体实施方式】
[0037] 为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施 例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
[0038] 本发明采用了崇文科技公司0HMIKER-50B型高真空蒸发镀膜设备，下面结合实 例对本发明做进一步说明，性能表征采用紫外/可见/近红外分光光度计（设备型号 LambdaHO)和全自动接触角测量仪（设备型号DSA100)，水滴大小3 μ L。
[0039] 实施例1
[0040] 通过电子束蒸发的方法在普通玻璃衬底上制备兼具光学增透（400?1200nm)和 疏水表面薄膜，该方法包括以下几个步骤：
[0041] 1)以99. 9%的MgF2、Y2O3作为膜层的膜料；
[0042] 2)以普通玻璃做为衬底，用TFC软件设计满足光谱要求的膜系Glass/ MgF2(28. 16nm)/Y203(17. 93nm)/MgF2(82. 34nm)/④Υ203(8· 5nm)/⑤MgF2(144. 45nm)/⑥ Y2 03 (14. 17nm) / ⑦MgF2 (69. 41nm) / ⑧ Y203 (43. 80nm) / ⑨MgF2 (25. 68nm) / ⑩ Y203 (116. 96nmV (11) MgF2(16. 45nm)/ ? Y203(48. Olnm)/ ? MgF2(116. 99nm)/air ;
[0043] 3)将MgF2置于2#坩埚，Y 203置于4#坩埚；
[0044] 4)清洗普通玻璃片，并将衬底片安装在工件架上；
[0045] 5)关闭腔室，抽真空至3Xl(T6t〇rr，衬底加热至150°C，根据设计膜系编辑程序 ①?13层；
[0046] 6)根据程序顺次蒸发，各层厚度和镀率由石英晶振仪在线检测；
[0047] 7)沉积结束，关闭电源、气、水等，45min后破真空；
[0048] 其中步骤4中清洗衬底片包括以下方法：
[0049] Glass的清洗方法：用去离子水、丙酮和异丙醇依次分别超声清洗lOmin，用去离 子水充分漂洗N2吹干，备用；
[0050] 其中步骤6)中镀率MgF2S 3 A/s，电子枪束流为13mA，Y2O3为1 Α/s电子枪束流 为 190mA ;
[0051] 图2为实施例1镀制薄膜前后光谱曲线对比图，从图2可以看出镀膜后光学镜片 透过率提高4%左右。图3为实施例1镀制薄膜后表面接触角图，由图3可以看出其水接触 角为110° (>90° )达到疏水要求。
[0052] 实施例2
[0053] 通过电子束蒸发的方法在普通玻璃衬底上制备兼具光学增透（400?1200nm)和 亲水表面薄膜，具体步骤为施例1中1)?7)步。实施例2与实施例1不同之处在于：
[0054] 步骤2中TFC软件设计膜系为如下膜系：Glass/① MgF2(33. 68nm)/②Y2O3(31. 16η m) / ③ MgF2 (55. 41nm) / ④ Y2O3 (31. 16nm) / ⑤ MgF2 (18. 88nm) / ⑥ Y2O3 (122. 23nm) / ⑦ MgF2 (17. 83nm) / ⑧ Y 203 (46. 36nm)/ ⑨ MgF2(94. 89nm)/ ⑩ Si02(20nm)/air
[0055] 步骤3)中MgF2置于2#坩埚，Y 203置于4#坩埚，SiO 2置于5#坩埚；
[0056] 步骤5)中编辑程序为步骤2)中所设计膜系①?⑩层；
[0057] 步骤6)中镀率MgF2S 3 A/S，电子枪束流为8mA，Y2O3为I A/s，电子枪束流为 205mA，SiO2S 1. 5 Α/s，电子枪束流为 70mA ;
[0058] 图4为实施例2镀制薄膜前后光谱曲线对比，从图4可以看出镀膜后光学镜片透 过率提高3%左右，图5实施例1镀制薄膜后表面接触角图，由图3可以看出其水接触角为 9° (〈10° )达到亲水要求。
[0059] 实施例3
[0060] 通过电子束蒸发的方法在普通玻璃衬底上两面分别镀制增透疏水和增透亲水薄 膜，得到具备光学增透、自清洁、防结雾三种功效的光学镜片。具体步骤严格按照实施例1 和实施例2步骤分别将两种膜系镀在普通玻璃两侧。具体膜层结构为：
[0061] Air/ 实施例 Ι/Glass/ 实施例 2/Air。
[0062] 图5为实施例3镀制薄膜前后光谱曲线对比图，从图可以看出镀膜后光学透过率 提高6%?7%，同时也兼具实施例1和实施例2特殊浸润性特点。
[0063] 实施例4
[0064] 通过电子束蒸发的方法在K9衬底上制备兼具光学增透（400?1200nm)和疏水表 面薄膜，其具体步骤与施例1相同，所不同之处在于，实施例4采用K9玻璃做衬底。
[0065] 图6是实施例4镀制薄膜后表面接触角图，由图可以看出其水接触角为 104° (>90° )达到疏水要求，其光谱曲线与图1相近。
[0066] 实施例5
[0067] 通过电子束蒸发的方法在普通玻璃衬底上制备兼具光学增透（400?1200nm)和 疏水表面薄膜，具体步骤为施例1中1?7步。与实施例1不同之处在于：
[0068] 步骤5)中抽真空至IX 10_6torr，衬底加热至200°C ;
[0069] 其中步骤6)中镀率MgF2S 1人/S，电子枪束流为10mA，Y2O3为2人/S，电子枪束流 为 198mA ;
[0070] 镀膜后光学镜片透过率提高3%左右，制得薄膜的水接触角为94° (>90° )达到 疏水要求。
[0071] 实施例6
[0072] 通过电子束蒸发的方法在普通玻璃衬底上制备兼具光学增透（400?1200nm)和 亲水表面薄膜，具体步骤为施例2中1?7步。与实施例2不同之处在于：
[0073] 步骤5)中抽真空至5X 10_6torr，衬底加热至100°C ;
[0074] 步骤6)中镀率MgF2S 5 A/S，电子枪束流为2mA，Y2O3为0. 5 A/S，电子枪束流为 202mA，SiO2S I Α/s，电子枪束流为 75mA ;
[0075] 镀膜后光学镜片透过率提高2%左右，镀制薄膜水接触角为7° (〈10° )达到亲水 要求。
[0076] 申请人:声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程， 但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细 工艺设备和工艺流程才能实施。所属【技术领域】的技术人员应该明了，对本发明的任何改进， 对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的 保护范围和公开范围之内。
【权利要求】
1. 一种兼具可见光近红外增透和特殊浸润性功能薄膜的物理制备方法，其特征在于， 其通过使用电子束蒸发进行。
2. 根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤： (1) 将膜料置于电子束蒸发镀膜机中的坩埚内作为蒸发源； (2) 将衬底片安装在工件架上，选择中心波长，用TFC软件设计满足光谱要求的膜系； (3) 在电子束蒸发镀膜机中真空下用石英灯加热衬底，并将（2)设计好的膜系程序输 入镀膜机的软件中； (4) 根据设计膜层的顺序和各层厚度采用电子束蒸发的镀膜方式依次自下而上蒸发， 各层厚度和镀膜速率由石英晶振仪在线检测。
3. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（1)中所述膜料为1%?2或￥匕？3、 Y203、Si02中的1种或两种以上，优选为99. 9%以上的MgF2、Y203或Si02中的1种或两种以 上； 优选地，所述坩埚为石墨坩埚。
4. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（2)中所述衬底为普通玻璃片或 者K9玻璃； 优选地，所述衬底经过清洗。
5. 根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述清洗方法为：用去离子水、丙酮 和异丙醇依次分别超声清洗，用去离子水充分漂洗吹干。
6. 根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述超声清洗的时间各为3min以上， 优选为5-20min; 优选地，所述吹干使用N2进行。
7. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（3)中所述真空的真空度为小于 6XlCT6to;r;r，优选为 1-5XlCT6to;r;r; 优选地，所述加热的温度为100-200°C，优选为150°C。
8. 根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤（4)中电子束蒸发时的电压为 5-15KV，优选为 10KV。
9. 根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，电子束蒸发时MgFj^镀率为 1-5A/S，优选为3A/S，电子枪束流8?13mA; 优选地，电子束蒸发时Y203的镀率为〇.5-2A/s，优选为1A/S，电子枪束流190? 205mA； 优选地，电子束蒸发时3102的镀率为1-3A/s，优选为1.5A/S，电子枪束流70?80mA。
【文档编号】G02B1/113GK104480434SQ201410753700
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】闫兰琴, 褚卫国 申请人:国家纳米科学中心