一种镀膜材料及其制备方法与应用与流程

本发明涉及薄膜材料技术领域，具体涉及一种镀膜材料及其制备方法与应用。

背景技术：

随着光通信器件的带宽要求提高，一束光纤中需要传输的信息也越来越多，这就要求光通信用波分复用(wdm)和密集波分复用(dwdm)滤光片的结构更为复杂，层数更多，厚度更大。真空蒸发制备的氧化钽(ta2o5)薄膜是一种性能优良的高折射率薄膜，是制备光通信用波分复用(wdm)和密集波分复用(dwdm)滤光片必须的材料。

现有ta2o5薄膜的制备方法通常以ta2o5为原料，并采用电子束蒸发工艺成膜，在蒸发过程中ta2o5会产生分解放气反应(通常称为喷溅)，这就会造成薄膜上形成喷溅点，影响薄膜光洁度，如果薄膜层数比较多或者厚，喷溅点会层层叠加，导致滤光片光洁度下降，废品率提高。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种镀膜材料及其制备方法与应用，旨在解决现有ta2o5薄膜制备过程中容易产生喷溅点，导致滤光片废品率提高的问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：一种镀膜材料，其中，所述镀膜材料的化学组成中包括ta2o5-x相的氧化钽，其中，0.1＜x<1.5。

所述的镀膜材料，其中，所述镀膜材料为混合相，其中，ta2o5相所占比例不高于50％，其余为ta2o5-x相。

一种所述的镀膜材料的制备方法，其中，包括步骤：

将ta2o5和ta的混合粉末预制成混合颗粒，并将所述混合颗粒放置于坩埚中，将所述坩埚放置于真空炉内；

对所述真空炉进行抽真空，当所述真空炉内压力达到预设第一压力时开始加热，并在预设第一功率下维持预设时间后，再以预设升温速率继续升温，直至所述真空炉的功率达到预设第二功率后，维持所述第二功率进行加热；

待所述真空炉内温度达到预设温度后且真空压力上升并达到预设第二压力时，停止加热并冷却，从所述坩埚中取出反应产物，并对所述反应产物进行破碎后过筛，得到镀膜材料。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述混合粉末中ta的质量为所述混合粉末质量的0.5％～10％，ta2o5的纯度不低于99.9％，ta的纯度不低于99％，ta的纯度不低于99％。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述第一功率为35％～45％，所述第二功率为55％～65％，所述预设温度为1700℃-1800℃。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述预设时间为1～2h，所述升温速率为每小时升温8％～12％。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述第一压力为0.5×10^-1～5×10^-1pa，所述第二压力为0.5×10^-1～5×10^-1pa。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述真空炉包括真空系统和保温层，所述保温层内设置有坩埚套，所述保温层与所述坩埚套之间设置有石墨加热体，所述真空系统包括旋片泵、洛茨泵以及扩散泵。

所述的镀膜材料的制备方法，其中，所述坩埚的材质为石墨、钨和钼中的一种。

一种所述的镀膜材料在真空蒸发镀膜领域中的应用。

有益效果：本发明的镀膜材料在真空蒸发过程中可以减少由于ta2o5材料分解放气导致的喷溅，提高薄膜光洁度，降低滤光片的废品率，同时可以简化电子束蒸发蒸镀中的预融过程，缩短镀膜加工时间，降低镀膜加工成本，通过所述镀膜材料可以设计出更高性能的滤光片，用于5g以至更高带宽的光学器件，对未来光通信专用滤光片的发展有重大意义。

附图说明

图1是本发明实施例提供的ta2o5材料的相位图；

图2是本发明实施例提供的真空炉的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的真空炉加热时的加热曲线图。

具体实施方式

本发明提供一种镀膜材料及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

真空蒸发制备的氧化钽(ta2o5)薄膜是一种性能优良的高折射率薄膜，被广泛用于制备光学滤光膜，反射膜，分光膜等光学薄膜零件，可以应用于精密光学，激光，光通信等多个领域。相比其它光学薄膜，ta2o5薄膜结构致密，化学性质稳定，而且由于材料容易融化，所制备的薄膜应力小，薄膜光洁度高，是制备多层复杂薄膜如光通信用波分复用(wdm)和密集波分复用(dwdm)滤光片必须的材料。

随着光通信器件的带宽要求提高，一束光纤中需要传输的信息也越来越多，这就要求光通信用波分复用(wdm)和密集波分复用(dwdm)滤光片的结构更为复杂，层数更多，厚度更大。但现有ta2o5薄膜通常采用电子束蒸发工艺成膜，在蒸发过程中ta2o5材料会发生分解放气反应(通常称为喷溅)，这就会造成薄膜上形成喷溅点，影响薄膜光洁度，如果薄膜层数比较多或者厚，喷溅点会层层叠加，导致滤光片光洁度下降，废品率提高，这成为制约wdm器件和dwdm器件生产的一个重要原因。

真空蒸发制备ta2o5薄膜的常见手段是使用电子枪加热蒸发，整个过程为了避免电子枪设备的氧化和材料污染都是在高真空条件下进行的。材料放置于水冷保护的无氧铜环形坩埚内，使用电子束扫掠材料表面进行加热。由于真空中加热的电子束不会引入其它物质，而水冷保护的金属坩埚，可以确保依靠坩埚的材料不会溶解到熔体当中，这样避免了其它材料的污染，使熔体部分维持了较高的纯度。在材料正式蒸发前，为了保证薄膜品质，减少材料喷溅，现有电子束真空蒸发通过对材料进行预融，使材料放出吸附的气体和水汽，特别是将材料ta2o5中的充分转化成ta2o5-x，但为了保证坩埚内的材料自下而上充分预融，材料需要多次加入，多次预融，整个过程不仅耗时漫长，费时费力，而且会有多达20％～40％的材料浪费。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种镀膜材料，所述镀膜材料的化学组成中包括ta2o5-x相的氧化钽，其中，0.1＜x<1.5。如图1所示，为ta2o5的相位图，由图1可以看出，当ta2o5化学计量比为理想比例71.4时，材料熔点为1880℃，而当材料失去少量氧时，其熔点会降低，例如当ta2o5失去少量氧至化学计量比为71时，熔点降到1550℃，若直接以ta2o5作为原料进行电子束蒸发，ta2o5材料在电子束蒸发条件下会发生分解放气反应，生成熔点更低的偏离正常化学计量比的ta2o5-x，从而形成大量细小喷溅，导致薄膜光洁度下降。而本实施例中的镀膜材料，由于其化学组分中包括ta2o5-x相的氧化钽，在真空蒸发过程中可以减少由于ta2o5材料分解放气导致的喷溅，进而提高薄膜光洁度，降低滤光片的废品率，同时可以简化电子束蒸发蒸镀中的预融过程，缩短镀膜加工的时间，降低镀膜生产的成本。在一具体实施例中，为了进一步减少蒸发镀膜过程中的喷溅现象，所述镀膜材料为混合相，其中，ta2o5相所占比例不高于50％，其余为ta2o5-x相，所述镀膜材料的尺寸为1～3mm。

基于上述镀膜材料，本发明实施例还提供一种镀膜材料的制备方法，所述方法包括：

s1、将ta2o5和ta的混合粉末预制成混合颗粒，并将所述混合颗粒放置于坩埚中，将所述坩埚放置于真空炉内。

为了制备ta2o5薄膜，本实施例中以ta2o5粉末和ta金属粉末为原料，首先将ta2o5粉末和ta金属粉末混合，并通过干压造粒的方式预制成大小为2-4mm的混合颗粒，然后将所述混合颗粒放置于坩埚中，并将所述坩埚放置于真空炉内，以便后续步骤中进行真空加热制备包括ta2o5-x相的氧化钽的镀膜材料。

现有ta2o5材料颜色分为白色和黑色两种，其中，白色ta2o5材料为充分氧化的ta2o5，化学计量比达到理论值，黑色ta2o5材料为经过真空烧结的白色ta2o5，由于部分氧会在真空烧结过程中失去，虽然其成份仍然是ta2o5，但由于缺失的o形成了氧空位，造成颜色变成黑色。本实施例中所使用的ta2o5粉末可以是白色ta2o5也可以是黑色ta2o5，所述混合粉末中ta金属粉末的质量占所述混合粉末的质量的0.5％～10％，且ta2o5的纯度不低于99.9％，ta的纯度不低于99％。

在反应过程中所使用的坩埚为耐高温坩埚，所述坩埚由缸体和上盖组成。在一具体实施例中，所述坩埚的材质为石墨、钨和钼中的一种，所述坩埚的直径为100mm，所述坩埚的高度为100mm，所述坩埚的厚度为1mm。如图2所示，所述真空炉包括真空系统和保温层11，所述保温层11内设置有坩埚套12，所述保温层11与所述坩埚套12之间设置有石墨加热体13，将所述坩埚14放置于所述真空炉内时，具体是放置于所述坩埚套12内。所述真空炉采用石墨碳管电阻加热，所述保温层11采用耐高温的碳毡保护层，所述坩埚套12采用耐高温的石墨坩埚套。所述真空系统包括旋片泵、洛茨泵以及扩散泵，所述真空系统使得所述真空炉内的极限真空可以达到3x10^-3pa以上。

s2、对所述真空炉进行抽真空，当所述真空炉内压力达到预设第一压力时开始加热，并在预设第一功率下维持预设时间后，再以预设升温速率继续升温，直至所述真空炉的功率达到预设第二功率后，维持所述第二功率进行加热。

将所述坩埚放置于真空炉内后，检查真空炉内加热体和保温层一切良好后，关闭真空炉并对其进行抽真空，当所述真空炉内压力达到预设第一压力时，开始按照预设加热曲线进行加热。如图3所示为真空炉加热时的加热曲线，开启加热后，提升真空炉的功率，当功率达到预设第一功率p1后，在预设第一功率p1下维持预设第一时间t1，随后以预设升温速率继续升温，待真空炉的功率达到预设第二功率p2后，维持所述第二功率p2进行加热。在加热过程中，原料中的ta2o5会发生分解放气反应，形成ta2o5-x相的氧化钽，其反应方程式为：nta2o5→nta2o5-x+o2↑。在反应过程中，ta作为还原剂，可以吸收ta2o5释放出的o，从而促进ta2o5的分解放气反应，以将更多ta2o5转化为ta2o5-x相的氧化钽。本实施例中制备出的镀膜材料经充分熔炼，能够减少ta2o5薄膜过程中的溅点，提高薄膜表面光洁度，降低滤光片的废品率，同时能够简化ta2o5薄膜制备过程中的预融过程，缩短镀膜加工时间，降低镀膜加工成本。

本实施例中反应时的温度和真空度可以根据需要进行设置，通过精确控制反应温度和真空度可以使超过95％的ta2o5转化为ta2o5-x相的氧化钽。在一具体实施例中，所述第一功率p1为35％～45％，所述第二功率p2为55％～65％，所述预设时间t1为1～2h，所述升温速率为每小时升温8％～12％，所述第一压力为5x10^-1pa，所述第二压力为10^-2pa。即在反应过程中，当真空炉内压力达到5x10^-1pa时开始加热，并在真空炉的功率达到35％～45％时，在35％～45％的功率下维持1～2h，然后继续以每小时升温8％～12％的速率进行升温，并在真空炉的功率达到55％～65％后，维持55％～65％的功率进行加热。

s3、待所述真空炉内温度达到预设温度且真空压力上升并达到预设第二压力时，停止加热并冷却，从所述坩埚中取出反应产物，并对所述反应产物进行破碎后过筛，得到镀膜材料。

由于原料中的ta金属比较活泼，低温时会吸收真空炉中的气体，造成真空炉内的压力上升，而高温时ta2o5会发生分解放气反应，释放出氧气，造成真空炉内压力会逐渐下降，当ta2o5反应完成后，由于没有氧气释放，真空炉内的气体会逐渐上升，当真空炉内温度达到预设温度且真空压力上升并达到预设第二压力时，表明反应已经完成，则停止加热并使真空炉自然冷却至室温。待坩埚冷却到室温后，从坩埚内取出反应产物，由于混合颗粒在加热过程中会有部分融化和粘连，取出的反应产物需要进一步破碎并过筛，从而得到尺寸均一的薄膜材料。在一具体实施例中，所述预设温度为1700℃-1800℃，过筛后的薄膜材料的尺寸为1～3mm。

本发明还提供一种上述镀膜材料在真空蒸发镀膜领域的应用，在真空蒸发镀膜过程中，当电子束射到镀膜材料表面后，高温会使镀膜材料蒸发，材料分子以气态的形式飞溅扩散并沉积在光学零件表面，形成ta2o5薄膜，严格控制薄膜厚度并配合其它材料薄膜，经过多次堆叠，可以设计生产出各类不同性能的光学薄膜。由于本实施例中的镀膜材料能够减少ta2o5薄膜制备过程中的溅点，提高薄膜表面光洁度，通过所述镀膜材料可以设计出更高性能的滤光片，用于5g以至更高带宽的光学器件，对未来光通信专用滤光片的发展有重大意义。

下面通过具体实施例对本发明进行进一步的解释说明。

实施例1

(1)将黑色ta2o5和ta按照质量比为1.5：98.5的比例混合均匀后，通过干压造粒方式预制成2～4mm的混合颗粒，然后在坩埚中放入1.1kg预制好的混合颗粒，振实后盖上坩埚盖并将坩埚放入真空炉内；

(2)检查真空炉内加热体和保温层良好后，对所述真空炉进行抽真空，当所述真空炉内压力达到5x10^-1pa后，开始提升功率加热，当真空炉的功率达到40％后，在40％功率下维持1h，然后以每小时升温10％的升温速率继续加热，待真空炉的功率达到60％后，维持60％的功率继续加热；

(3)待所述真空炉内的温度达到越1750℃，且真空度开始下降并达到越10^-2pa时，停止加热并使真空炉自然冷却到室温；

(4)当坩埚冷却到室温后，从坩埚中取出反应产物，并对反应产物进行破碎并过筛后，得到镀膜材料。

实施例2

(1)将白色ta2o5和ta按照质量比为3：97的比例混合均匀后，通过干压造粒方式预制成2～4mm的混合颗粒，然后在坩埚中放入1.1kg预制好的混合颗粒，振实后盖上坩埚盖并将坩埚放入真空炉内；

(2)检查真空炉内加热体和保温层良好后，对所述真空炉进行抽真空，当所述真空炉内压力达到5x10^-1pa后，开始提升功率加热，当真空炉的功率达到40％后，在40％功率下维持1h，然后以每小时升温10％的升温速率继续加热，待真空炉的功率达到60％后，维持60％的功率继续加热；直到温度达到1730℃，开始恒温。

(3)待所述真空炉内的真空度开始下降并达到10^-2pa时，停止加热并使真空炉自然冷却到室温；

(4)当坩埚冷却到室温后，从坩埚中取出反应产物，并对反应产物进行破碎并过筛后，得到镀膜材料。

综上所述，本发明公开了一种镀膜材料及其制备方法与应用，包括：所述镀膜材料的化学组成中包括ta2o5-x相的氧化钽，其中，0.1＜x<1.5。本发明的镀膜材料在真空蒸发过程中可以减少由于ta2o5材料分解放气导致的喷溅，提高薄膜光洁度，降低滤光片的废品率，同时可以简化电子束蒸发蒸镀中的预融过程，缩短镀膜加工时间，降低镀膜加工成本，通过所述镀膜材料可以设计出更高性能的滤光片，用于5g以至更高带宽的光学器件，对未来光通信专用滤光片的发展有重大意义。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。