空间太阳电池玻璃盖板增透膜MgF2的防氧化、防静电研究

摘要

MgF2薄膜由于其较低的折射率和优良的透光性在空间太阳能电池玻璃盖板中用作增透膜。由于空间环境复杂，MgF2薄膜在多种氧粒子作用下光学性能会出现明显下降，使其在低轨长寿命飞行器中的应用受到挑战;同时，由于其绝缘性在空间带电粒子的长期作用下会出现不均匀充放电现象，影响器件的使用性能。为此，本文研究了氧离子对MgF2薄膜光学性能的影响，并通过在表面制备多种氧化物达到提高MgF2系增透膜耐氧蚀性的目的;在MgF2薄膜表面制备了氧化铟锡(ITO)透明导电防静电薄膜，研究了氧离子后处理工艺对ITO薄膜光学及电学性能的影响，从微观机理上给予了深入分析。
　　采用电子束蒸发技术制备了单层MgF2薄膜，并用氧离子束对薄膜进行轰击，平均透过率下降2至3个百分点。退火处理可在一定程度上提高薄膜的耐氧蚀性。通过对比氧离子与空间原子氧对聚酰亚胺薄膜的剥蚀率，建立了两者之间的对比关系。采用TFCale软件对经过氧蚀后的MgF2薄膜的结构进行了模拟分析。
　　以SiO2、Al2O3、MgO三种氧化物为防护层，用TFCale光学设计软件设计了三类防氧蚀增透膜体系，其中SiO2、Al2O3两种氧化物有望作为MgF2防氧蚀层使用，设计的31nmSiO2/65nmMgF2/64nmSiO2/glass、13nmSiO2/60nmMgF2/glass、15nmAl2O3/68nmMgF2/58nmAl2O3/glass和10nmAl2O3/58nmMgF2/glass四种膜系的模拟平均透过率分别为93.6％、93.8％、93.9％和93.7％，很接近单层MgF2的光透过率。结构为10nmAl2O3/58nmMgF2/glass的耐氧蚀性与单层MgF2薄膜相比提高了40％。
　　氧离子后处理会增加ITO薄膜的平均晶粒尺寸，提高薄膜的载流子浓度和迁移率，使电学性能增加，禁带宽度提高，紫外平均透过率提高19.7％，红外反射率提高约19.6％，同时折射率增加，可见光平均透过率下降约1个百分点。用TFCale光学设计软件设计了不同结构的ITO/MgF2透明导电薄膜，并采用电子束蒸发制备，经500℃退火处理，结构为150nmITO/100nmMgF2的膜系平均透过率为82.3％，方块电阻为79.9Ω/□，计算电阻率为1.2×10-3Ω·cm，光学、电学综合性能最好;经过氧离子后处理后，由于ITO薄膜厚度减小，使其平均透过率下降至71.1％，方块电阻为154Ω/□，但计算电阻率下降至2.4×10-4Ω·cm。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 MgF2薄膜结构与增透原理

1．2 MgF2系薄膜的性能及应用

1．2．1 单层MgF2薄膜的性能及应用

1．2．2 多层MgF2薄膜的性能及应用

1．3 MgF2增透膜制备工艺方法

1．3．1 蒸发法制备MgF2薄膜

1．3．2 磁控溅射法制备MgF2薄膜

1．3．3 提高MgF2薄膜性能的工艺方法

1．4 氧元素对MgF2薄膜的侵蚀及防护措施

1．4．1 空间材料环境分析

1．4．2 空间氧元素对MgF2薄膜的影响

1．4．3 防护措施

1．5 研究背景及主要内容

第2章 实验方法

2．1 光学薄膜设计与模拟软件

2．2 薄膜衬底及其预处理

2．3 薄膜的制备装置

2．4 薄膜的制备及后处理工艺方法

2．4．1 电子束蒸发镀膜制备工艺

2．4．2 离子束辅助镀膜工艺

2．4．3 薄膜退火工艺

2．4．4 氧离子束后处理工艺

2．5 薄膜的组织结构表征方法

2．5．1 X射线衍射仪

2．5．2 金相显微镜

2．5．3 场发射电子显微镜及X射线能量色散谱仪

2．5．4 x射线光电子能谱仪

2．6 薄膜的性能测试方法

2．6．1 紫外-可见分光光度计

2．6．2 四探针测试仪

2．6．3 霍尔效应测试系统

第3章 氧离子轰击对MgF2薄膜光学性能的影响

3．1 引言

3．2 氧离子轰击参数对MgF2薄膜光学性能的影响规律

3．2．1 单层MgF2薄膜的光学性能

3．2．2 氧离子能量对MgF2薄膜光学性能的影响

3．2．3 氧离子束流对MgF2薄膜光学性能的影响

3．2．4 轰击角度对MgF2薄膜光学性能的影响

3．3 MgF2薄膜沉积及后处理工艺对氧离子轰击效果的影响

3．3．1 薄膜沉积温度对MgF2薄膜耐氧蚀性的影响

3．3．2 离子束辅助沉积对MgF2薄膜耐氧蚀性的影响

3．3．3 退火热处理对MgF2薄膜耐氧蚀性的影响

3．4 氧离子轰击模拟空间原子氧方法与等效关系

3．5 氧离子轰击对MgF2薄膜光学性能影响机理研究

3．5．1 氧离子轰击对薄膜折射率的影响研究

3．5．2 MgF2薄膜氧蚀后的结构模拟与对比分析

3．6 小结

第4章 MgF2增透膜表面氧化防护层研究

4．1 引言

4．2 氧化物／MgF2双层增透膜设计原则

4．3 氧化物／MgF2系多层增透膜体系设计

4．3．1 MgO／MgF2系薄膜的设计

4．3．2 SiO2／MgF2系薄膜的设计

4．3．3 Al2O3／MgF2系薄膜的设计

4．4 薄膜的结构分析

4．5 多层薄膜的耐氧蚀性能及改善

4．5．1 MgO／MgF2系薄膜的耐氧蚀性

4．5．2 SiO2／MgF2系薄膜的耐氧蚀性

4．5．3 Al2O3／MgF2系薄膜的耐氧蚀性

4．6 小结

第5章 MgF2增透膜表面透明导电防静电层研究

5．1 引言

5．2 氧离子后处理对ITO薄膜结构及性能的影响

5．2．1 氧离子对ITO薄膜结构的影响

5．2．2 氧离子对ITO薄膜电学性能的影响

5．2．3 氧离子对ITO薄膜光学性能的影响

5．3 ITO／MgF2导电增透膜设计制备与性能分析

5．4 氧离子后处理对ITO／MgF 2薄膜性能的影响

5．5 小结

结论

参考文献

致谢

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