多光谱硫化锌表面亚波长抗反射微纳结构的研究

摘要

多光谱硫化锌（ZnS）在较宽的波段均有着高的透过率，适应当前复合成像的发展趋势，受到越来越多的研究。为进一步提高ZnS窗口的探测质量，提高材料的透过率是必不可少的。ZnS表面抗反射亚波长结构（AR SWS）是指在ZnS表面制备一种周期远小于入射波波长的微结构，可以有效地降低材料表面的反射。本课题采用薄膜增透理论以及等效介质理论计算出ZnS AR SWS的结构参数，然后以此为基础采用RsoftCVD7.0软件模拟设计出ZnS表面亚波长结构；通过垂直沉积法在ZnS表面制备单层的二氧化硅微球做为刻蚀用掩膜；采用电感耦合等离子体刻蚀（ICP）法，以Cl2和Ar气作为刻蚀气体进行刻蚀，制备ZnS表面抗反射亚波长结构。最后利用原子层沉积（ALD）技术在所制备的ZnS表面抗反射微结构上制备Al2O3保护膜来改善ZnS的力学性能，从而提高硫化锌红外窗口在恶劣条件下使用的可靠性。
　　本研究主要内容包括：⑴基于薄膜增透理论以及等效介质理论计算出ZnS表面抗反射微结构的结构参数，然后在此基础上采用RsoftCVD7.0软件对周期、占位比以及高度进行进一步的模拟优化，确定亚波长结构的最佳参数（T=1μm，H=1.68μm，f=0.55），同时对 Al2O3保护膜的厚度对透过率的影响进行模拟，模拟结果表明：适当厚度的Al2O3保护膜对ZnS亚波长结构的透过率影响较小，因此我们选择镀制100 nm厚的Al2O3膜，满足了增加力学性能的要求。⑵采用垂直沉积法在ZnS衬底表面制备单层二氧化硅微球作为刻蚀用掩膜，系统研究了蒸发温度以及溶液浓度对二氧化硅微球分布的影响，当蒸发温度为50℃，溶液质量分数为0.15%时可以制得分布均匀的单层二氧化硅微球掩膜；随后采用ICP进行刻蚀，发现刻蚀气体中加入BCl3会降低刻蚀速率，并且刻蚀速率随着ICP功率的增大而增加，随着RF功率的增大先增加后减小。⑶利用原子层沉积（ALD）技术的自限制性特点在ZnS微结构表面精确的沉积100 nm厚的Al2O3保护膜，对硫化锌表面的Al2O3膜的进行纳米硬度以及成分的分析表征，同时对具有Al2O3保护膜的ZnS亚波长结构进行宽波段透过率以及表面润湿角的测试，结果表明：当沉积温度为240℃时，具有6.51 GPa的纳米硬度，相较于硫化锌的硬度（2.5 GPa）提升较大；最佳工艺制备出来的硫化锌亚波长结构在400~1500nm波段的平均透过率为83.4%，相对于裸硫化锌的透过率（70.92%）提高了近12.5%；在3~12μm波段硫化锌亚波长结构的平均透过率为75.23%，相对于裸硫化锌的透过率（68.53%）提高了近6.7%，实现了 ZnS在宽波段增透。改性后硫化锌表面疏水性增强，其与水润湿角由原来的101.33°增大到105.48°，使得材料表面的疏水性得到提升。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 硫化锌的性能改性研究进展

1.3 主要研究内容

第2章 硫化锌抗反射亚波长结构的制备与测试方法

2.1 引言

2.2抗反射亚波长结构的设计

2.3硫化锌表面亚波长结构的制备

2.4 St?ber法制备二氧化硅微球

2.5 氧化铝保护膜的制备

2.6硫化锌表面亚波长结构的测试分析

第3章 ZnS表面抗反射亚波长结构的设计与制备研究

3.1 引言

3.2 硫化锌表面抗反射微结构的理论计算与模拟设计

3.3硫化锌表面单层二氧化硅微球的制备研究

3.4刻蚀工艺参数对硫化锌表面亚波长结构高度的影响

3.5 本章小结

第4章 氧化铝薄膜为ZnS亚波长微纳结构保护层的研究

4.1 引言

4.2 原子层沉积Al2O3保护膜的制备研究

4.3 硫化锌表面亚波长结构的增透性能

4.4 硫化锌表面亚波长结构对润湿性的影响

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢